100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für...

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Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR (MBR) FORSCHUNG, PILOTANLAGE UND MESS- KAMPAGNE Schlussbericht Ausgearbeitet durch ARGE „MBR“ Jean-Louis Hersener, Ingenieurbüro HERSENER 8542 Wiesendangen, [email protected] Urs Meier, MERITEC GmbH 8357 Guntershausen , [email protected]

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Eidgenoumlssisches Departement fuumlr Umwelt Verkehr Energie und Kommunikation UVEK

Bundesamt fuumlr Energie BFE

MEMBRANBIOREAKTOR (MBR) FORSCHUNG PILOTANLAGE UND MESS-KAMPAGNE

Schlussbericht

Ausgearbeitet durch ARGE bdquoMBRldquo

Jean-Louis Hersener Ingenieurbuumlro HERSENER 8542 Wiesendangen herseneragrenumch

Urs Meier MERITEC GmbH 8357 Guntershausen ursmeiermeritecch

Impressum

Datum 14122007

Im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Forschungsprogramm Biomasse

Muumlhlestrasse 4 CH-3063 Ittigen

Postadresse CH-3003 Bern

Tel +41 31 322 56 11 Fax +41 31 323 25 00

wwwbfeadminch

BFE-Bereichsleiter brunoguggisbergbfeadminch

BFE-Projektnummern MBR-Kampagne 100517 MBR-Pilotanlage 100516

Bezugsort der Publikation wwwenergieforschungch

Fuumlr den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren dieses Berichts verant-wortlich

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Projekt MBR ARGE MBR

Inhaltsverzeichnis Abkuumlrzungen 2 Vorwort 3 Zusammenfassung 4 Abstract 6

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006) 7 Einleitung 7 Problemstellung 7 Projektziele 7 Material und Methoden 8 Resultate 11 Diskussion 19 Bewertung 22 Handlungsbedarf 23

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage 25 Ausgangslage 25 Beschreibung der Anlage 26

Eckdaten 27 Prinzipieller Anlagenaufbau und Produktionsablauf 27 Betrieb als Membranbioreaktor 27 Komponenten 29 Ablauforganisation 30 Ergebnisse und Erfahrungen waumlhrend des ersten Betriebsjahres 33

TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage 34 Ausgangslage 34 Ziele 34 Methode 34

Mess- und Regeltechnik 34 Ergebnisse des ersten Betriebsjahres 36

Inbetriebnahme 36 Schwierigkeiten und Optimierungen 36 Fest-Fluumlssigtrennung 36 Geruchsbelaumlstigung 36 Datenverlust im Leitsystem 36 Stoffmengen 37 Energie 39

Diskussion und Schlussfolgerungen 45 Handlungsbedarf 45 Literatur 46

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abkuumlrzungen a Jahr

AG Aargau

AR Appenzell Ausserrhoden

ARGE Arbeitsgemeinschaft

ASTAG Schweizerischer Nutzfahrzeugverband

BHKW Blockheizkraftwerk

CSB chemischer Sauerstoffbedarf

Cosubstrat Abfall

Covergaumlrung Vergaumlrung von Guumllle zusammen mit Abfaumlllen

d Tag

Duumlnnguumllle Fluumlssigphase aus der Separierung von Guumllle

Feed Beschickungsmenge

Feststoffe Festphase aus der Separierung

Fr Franken

FS Frischsubstanz

HRT hydraulische Verweilzeit

kDa Kilodalton (bei Membranprozessen Trennbereich einer Membran)

kWel Kilowatt elektrische Leistung

kWth Kilowatt thermische Leistung

kWh Kilowattstunde

konv Anlage konventionelle Anlage

MBR Membranbioreaktor

Mio Million

Mia Milliarde

mS milliSiemens (Einheit bei der Messung der Leitfaumlhigkeit)

MWh Megawattstunde

OS organische Substanz (Gluumlhverlust)

PampD-Anlage Pilot- und Demonstrationsanlage

PJ Petajoule

RB Raumbelastung

RO Umkehrosmose

RO-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Umkehrosmose nicht durch die Membran tritt (konzentrierter Teilstrom)

Rp Rappen

SH Schaffhausen

SRT Schlammaufenthaltsdauer

t Tonne

TS Trockensubstanz (Trockenruumlckstand)

UF Ultrafiltration

UF-Permeat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration durch die Membran tritt

UF-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration nicht durch die Membran tritt

(konzentrierter Teilstrom)

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Projekt MBR ARGE MBR

Vorwort Viele Grundlagen die in der Forschung erarbeitet werden brauchen oftmals lange Weiterentwicklun-gen um in der Praxis Fuss zu fassen In diesem Projekt wurde der Forschungsteil bereits an die spaumlte-re Realisierung gekoppelt Dank der innovativen Einstellung und der unternehmerischen Grundhaltung der beiden Bauherren Bruno und Jakob Boumlsch wurde aufgrund der Erfahrungen mit der vor Ort be-triebenen Forschungsanlage der Entscheid fuumlr den Bau des Membranbioreaktors (MBR) gefaumlllt Durch die gezielte Foumlrderung als Pilot und Demonstrationsanlage vom Bundesamt fuumlr Energie wurde das Risiko des Bauentscheides vermindert und damit der Entscheid fuumlr das neue Konzept erfolgreich mitbeeinflusst

Heute ist diese Pilot- und Demonstrationsanlage seit rund einem Jahr in Betrieb Wie jede neue Tech-nologie wurde sie mit groumlsseren und kleineren Anfangsschwierigkeiten konfrontiert Insgesamt hat sich das Konzept bewaumlhrt Die Bauherren sind von ihrer Anlage uumlberzeugt raumlumen konsequent die bdquoKinderkrankheitenldquo aus dem Weg und sind zuversichtlich im naumlchsten Jahr bereits mehr Abfaumllle an-nehmen zu koumlnnen

Neben erneuerbarer Energie in Form von Strom und Waumlrme produziert diese Biogasanlage erstmalig auch hochwertige Fluumlssigduumlngerfraktionen Eine entscheidende Voraussetzung um das Transportvo-lumen zu minimieren und den Duumlnger effizient in die Landwirtschaft zuruumlckzufuumlhren Der Gedanke eines geschlossenen und effizienten Stoff- und Energiekreislaufes konnte somit weitgehend verwirk-licht werden Es ist zu hoffen dass das Konzept des Membranbioreaktors in der Praxis vermehrt Be-achtung finden wird und weitere Anlagen entstehen

Die Autoren danken dem Bundesamt fuumlr Energie und insbesondere Herrn Bruno Guggisberg fuumlr den erteilten Forschungsauftrag Weiter geht unser Dank an alle Projektbeteiligten die zum Gelingen bei-getragen haben

Der vorliegende Bericht ist in drei Teile gegliedert In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Zusammenfassung Der vorliegende Schlussbericht umfasst drei Teile In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

TEIL1 Ergebnisse auf der Forschungsanlage im halbtechnischen Massstab

Ziel des Projektes ist die Abklaumlrung der Eignung des Membranreaktors (MBR) zur Vergaumlrung sowohl von Guumllle als auch von Guumllle und Co-Substraten Anhand von Laboruntersuchungen und einer Ver-suchsanlage wurden Erkenntnisse erarbeitet die in den Betrieb einer PampD-Anlage einfliessen sollen

Die Versuchsanlage ist prozesstechnisch gepruumlft und in Betrieb gesetzt worden Entsprechende An-passungen im Bereich der Anlagenperipherie mussten fuumlr die Aufrechterhaltung eines konstanten Betriebs vorgenommen werden Fuumlr den Betrieb des MBR wurde separierte Duumlnnguumllle bzw zerklei-nerte Cosubstrate verwendet Die Ultrafiltration mit organischen Membranen ist direkt mit dem Fer-menter gekoppelt betrieben worden

Die Biomasse kann im Fermenter vollstaumlndig zuruumlckgehalten werden Dies erlaubt eine Reduktion des Fermentervolumens um rund 75 Die Gasproduktion und die Raumbelastung im MBR sind mit kon-ventionellen Biogasanlagen vergleichbar Die Versuche liefen mit zwei Schweineguumlllen Die erste Guumll-le zeigte sowohl im Labor als auch an der Versuchsanlage im Vergleich zu Referenzdaten geringe Gasproduktionsleistungen Am 130 Versuchstag trat eine nicht genauer analysierte Totalhemmung des Gaumlrprozesses auf Mit der zweiten Schweineguumllle konnten deutlich bessere Leistungswerte nach-gewiesen werden Aus zeitlichen Gruumlnden und wegen den Witterungsbedingungen (Winter) konnten die Versuche mit houmlheren Raumbelastungen nicht unter stabilen Gaumlrprozessbedingungen zu Ende gefuumlhrt werden

Die verfahrens- und prozesstechnischen Bedingungen an den MBR lassen sich ohne weiteres in die Praxis umsetzen Das MBR-System zeichnet sich durch eine hohe Anpassungsfaumlhigkeit an die ent-sprechenden Rohsubstrate aus Die Kombination einer energetischen und stofflichen Behandlung mit dem MBR zeigen zusaumltzliche Vorteile wie erheblich kleinere Lagervolumen und deutlich geringere Transport- und Ausbringkosten wenn eine Umkehrosmose als Endstufe vorgesehen ist Bei Beach-tung der Verwertungskosten des Gaumlrsubstrats liegen die Kosten je nach betrieblichen Voraussetzun-gen im Bereich der konventionellen Vergaumlrung Zusaumltzlich lassen sich die Naumlhrstoffe effizienter ein-setzen sowie allenfalls Mineralduumlnger ersetzen

Aufgrund der beschriebenen Widrigkeiten bei der Versuchsdurchfuumlhrung konnte das Potential des MBR-Verfahrens nicht abschliessend beurteilt werden Durch eine laumlnger angelegte Versuchsreihe koumlnnten viele der offenen Fragen vertiefter beantwortet werden

TEIL 2 Beschreibung der Pilotanlage

Die Pilotanlage wurde als Membranbioreaktor (MBR) konzipiert und konnte Ende 2006 ihren Betrieb aufnehmen Ihre Verarbeitungskapazitaumlt liegt vorerst bei rund 20000 bis25000 Jahrestonnen Davon werden rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus dem eigenen Schweinemast- und zuchtbetrieb vergaumlrt Die rest-liche Biomasse sind Abfaumllle aus dem Lebensmittelhandel der Nahrungsmittelproduktion und dem Gastgewerbe Durch zwei getrennte Annahmelinien koumlnnen sowohl hygienisch unbedenkliche als auch zu sterilisierende Abfaumllle professionell verarbeitet werden Durch die installierte Membrantrenn-technik wird einerseits lebende Biomasse (Bakterien) in die Fermenter ruumlckgefuumlhrt und anderseits das vergorene Material in wertvolle Duumlngerfraktionen aufgeteilt Mehr als die Haumllfte der verarbeiteten Ma-terialien faumlllt anschliessend als Brauchwasser an und reduziert damit den Aufwand der Duumlngerruumlck-fuumlhrung in die Landwirtschaft erheblich

Die installierte Leistung liegt bei 11 MW elektrisch Die Anlage wurde so konzipiert dass ein weiterer Ausbau moumlglich ist Die Investitionskosten liegen ohne Buumlro- und Lagertrakt bei rund Fr 125 Mio

TEIL 3 Messungen an der Pilotanlage waumlhrend des ersten Betriebsjahres (Messkampagne)

Waumlhrend der Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 wurden rund 14100 t Biomasse verarbeitet Davon liegt der Guumllleanteil bei rund 8rsquo000 Tonnen Die verarbeitete Menge ent-spricht rund 50-60 der maximalen Verbeitungskapazitaumlt Dies begruumlndet sich mit einer vorsichtigen Beschickung in der Anfahrphase und einer zuruumlckhaltenden Annahme von Abfaumlllen als Folge der an-

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faumlnglich unzureichenden Fest-Fluumlssigtrennung sowie der unbefriedigenden Abluftreinigung fuumlr den Sektor der Sterilisationsanlage

Waumlhrend des Umbaus an der Fest-Fluumlssig-Trennung von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober konnte kein UF-Retentat produziert und somit auch nicht in den Fermenter ruumlckgefuumlhrt werden In dieser Zeit wur-de die Anlage konventionell und nicht als MBR betrieben Aufgrund der erwaumlhnten Geruchsemissio-nen wird seit Mitte Oktober bis zum Einbau der neuen Abluftreinigung die Annahme in der roten Linie gedrosselt Da diese Produkte einen weit houmlheren Gasertrag ergeben ist hier mit einer voruumlberge-henden Reduktion zu rechnen

Als Folge davon konnte waumlhrend der gesamten Messkampagne niemals ein ausreichend langer Zeit-raum betrachtet werden um den Effekt des MBR-Prozesses gesichert zu beurteilen

Die drei Fermenter lieferten waumlhrend der Messperiode rund 156 Mio m3 Biogas mit einem durch-schnittlichen Methangehalt von 63 Die Gasausbeute liegt uumlber alles bei 110 m3t FS bzw bei 230 m3t Frischsubstanz bei den Cosubstraten

Das installierte Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 11 MWel lieferte waumlhrend des Messjahres 3rsquo870 MWh Strom Der Eigenverbrauch der Anlage inklusive Lager- und Buumlrotrakt lag bei rund 1049 MWh elektrisch

Die Abwaumlrme des BHKW wird fuumlr die Sterilisationsanlage Futterkuumlche und Gebaumludeheizung genutzt Hierdurch konnten seit Inbetriebnahme rund 160000 kg Heizoumll eingespart werden

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Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

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Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

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nU

ltraf

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tion

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

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P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

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T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

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S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

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R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

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10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

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90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

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9

TS-G

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) pH

NH

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l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

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Versuchstage

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

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(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

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pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

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10

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Versuchstage

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NH

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

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RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

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lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

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300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

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Ein

nahm

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

3748

Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

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0ta

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

3948

Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

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[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

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[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 2: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

Impressum

Datum 14122007

Im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Forschungsprogramm Biomasse

Muumlhlestrasse 4 CH-3063 Ittigen

Postadresse CH-3003 Bern

Tel +41 31 322 56 11 Fax +41 31 323 25 00

wwwbfeadminch

BFE-Bereichsleiter brunoguggisbergbfeadminch

BFE-Projektnummern MBR-Kampagne 100517 MBR-Pilotanlage 100516

Bezugsort der Publikation wwwenergieforschungch

Fuumlr den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren dieses Berichts verant-wortlich

148

Projekt MBR ARGE MBR

Inhaltsverzeichnis Abkuumlrzungen 2 Vorwort 3 Zusammenfassung 4 Abstract 6

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006) 7 Einleitung 7 Problemstellung 7 Projektziele 7 Material und Methoden 8 Resultate 11 Diskussion 19 Bewertung 22 Handlungsbedarf 23

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage 25 Ausgangslage 25 Beschreibung der Anlage 26

Eckdaten 27 Prinzipieller Anlagenaufbau und Produktionsablauf 27 Betrieb als Membranbioreaktor 27 Komponenten 29 Ablauforganisation 30 Ergebnisse und Erfahrungen waumlhrend des ersten Betriebsjahres 33

TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage 34 Ausgangslage 34 Ziele 34 Methode 34

Mess- und Regeltechnik 34 Ergebnisse des ersten Betriebsjahres 36

Inbetriebnahme 36 Schwierigkeiten und Optimierungen 36 Fest-Fluumlssigtrennung 36 Geruchsbelaumlstigung 36 Datenverlust im Leitsystem 36 Stoffmengen 37 Energie 39

Diskussion und Schlussfolgerungen 45 Handlungsbedarf 45 Literatur 46

248

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abkuumlrzungen a Jahr

AG Aargau

AR Appenzell Ausserrhoden

ARGE Arbeitsgemeinschaft

ASTAG Schweizerischer Nutzfahrzeugverband

BHKW Blockheizkraftwerk

CSB chemischer Sauerstoffbedarf

Cosubstrat Abfall

Covergaumlrung Vergaumlrung von Guumllle zusammen mit Abfaumlllen

d Tag

Duumlnnguumllle Fluumlssigphase aus der Separierung von Guumllle

Feed Beschickungsmenge

Feststoffe Festphase aus der Separierung

Fr Franken

FS Frischsubstanz

HRT hydraulische Verweilzeit

kDa Kilodalton (bei Membranprozessen Trennbereich einer Membran)

kWel Kilowatt elektrische Leistung

kWth Kilowatt thermische Leistung

kWh Kilowattstunde

konv Anlage konventionelle Anlage

MBR Membranbioreaktor

Mio Million

Mia Milliarde

mS milliSiemens (Einheit bei der Messung der Leitfaumlhigkeit)

MWh Megawattstunde

OS organische Substanz (Gluumlhverlust)

PampD-Anlage Pilot- und Demonstrationsanlage

PJ Petajoule

RB Raumbelastung

RO Umkehrosmose

RO-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Umkehrosmose nicht durch die Membran tritt (konzentrierter Teilstrom)

Rp Rappen

SH Schaffhausen

SRT Schlammaufenthaltsdauer

t Tonne

TS Trockensubstanz (Trockenruumlckstand)

UF Ultrafiltration

UF-Permeat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration durch die Membran tritt

UF-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration nicht durch die Membran tritt

(konzentrierter Teilstrom)

348

Projekt MBR ARGE MBR

Vorwort Viele Grundlagen die in der Forschung erarbeitet werden brauchen oftmals lange Weiterentwicklun-gen um in der Praxis Fuss zu fassen In diesem Projekt wurde der Forschungsteil bereits an die spaumlte-re Realisierung gekoppelt Dank der innovativen Einstellung und der unternehmerischen Grundhaltung der beiden Bauherren Bruno und Jakob Boumlsch wurde aufgrund der Erfahrungen mit der vor Ort be-triebenen Forschungsanlage der Entscheid fuumlr den Bau des Membranbioreaktors (MBR) gefaumlllt Durch die gezielte Foumlrderung als Pilot und Demonstrationsanlage vom Bundesamt fuumlr Energie wurde das Risiko des Bauentscheides vermindert und damit der Entscheid fuumlr das neue Konzept erfolgreich mitbeeinflusst

Heute ist diese Pilot- und Demonstrationsanlage seit rund einem Jahr in Betrieb Wie jede neue Tech-nologie wurde sie mit groumlsseren und kleineren Anfangsschwierigkeiten konfrontiert Insgesamt hat sich das Konzept bewaumlhrt Die Bauherren sind von ihrer Anlage uumlberzeugt raumlumen konsequent die bdquoKinderkrankheitenldquo aus dem Weg und sind zuversichtlich im naumlchsten Jahr bereits mehr Abfaumllle an-nehmen zu koumlnnen

Neben erneuerbarer Energie in Form von Strom und Waumlrme produziert diese Biogasanlage erstmalig auch hochwertige Fluumlssigduumlngerfraktionen Eine entscheidende Voraussetzung um das Transportvo-lumen zu minimieren und den Duumlnger effizient in die Landwirtschaft zuruumlckzufuumlhren Der Gedanke eines geschlossenen und effizienten Stoff- und Energiekreislaufes konnte somit weitgehend verwirk-licht werden Es ist zu hoffen dass das Konzept des Membranbioreaktors in der Praxis vermehrt Be-achtung finden wird und weitere Anlagen entstehen

Die Autoren danken dem Bundesamt fuumlr Energie und insbesondere Herrn Bruno Guggisberg fuumlr den erteilten Forschungsauftrag Weiter geht unser Dank an alle Projektbeteiligten die zum Gelingen bei-getragen haben

Der vorliegende Bericht ist in drei Teile gegliedert In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Zusammenfassung Der vorliegende Schlussbericht umfasst drei Teile In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

TEIL1 Ergebnisse auf der Forschungsanlage im halbtechnischen Massstab

Ziel des Projektes ist die Abklaumlrung der Eignung des Membranreaktors (MBR) zur Vergaumlrung sowohl von Guumllle als auch von Guumllle und Co-Substraten Anhand von Laboruntersuchungen und einer Ver-suchsanlage wurden Erkenntnisse erarbeitet die in den Betrieb einer PampD-Anlage einfliessen sollen

Die Versuchsanlage ist prozesstechnisch gepruumlft und in Betrieb gesetzt worden Entsprechende An-passungen im Bereich der Anlagenperipherie mussten fuumlr die Aufrechterhaltung eines konstanten Betriebs vorgenommen werden Fuumlr den Betrieb des MBR wurde separierte Duumlnnguumllle bzw zerklei-nerte Cosubstrate verwendet Die Ultrafiltration mit organischen Membranen ist direkt mit dem Fer-menter gekoppelt betrieben worden

Die Biomasse kann im Fermenter vollstaumlndig zuruumlckgehalten werden Dies erlaubt eine Reduktion des Fermentervolumens um rund 75 Die Gasproduktion und die Raumbelastung im MBR sind mit kon-ventionellen Biogasanlagen vergleichbar Die Versuche liefen mit zwei Schweineguumlllen Die erste Guumll-le zeigte sowohl im Labor als auch an der Versuchsanlage im Vergleich zu Referenzdaten geringe Gasproduktionsleistungen Am 130 Versuchstag trat eine nicht genauer analysierte Totalhemmung des Gaumlrprozesses auf Mit der zweiten Schweineguumllle konnten deutlich bessere Leistungswerte nach-gewiesen werden Aus zeitlichen Gruumlnden und wegen den Witterungsbedingungen (Winter) konnten die Versuche mit houmlheren Raumbelastungen nicht unter stabilen Gaumlrprozessbedingungen zu Ende gefuumlhrt werden

Die verfahrens- und prozesstechnischen Bedingungen an den MBR lassen sich ohne weiteres in die Praxis umsetzen Das MBR-System zeichnet sich durch eine hohe Anpassungsfaumlhigkeit an die ent-sprechenden Rohsubstrate aus Die Kombination einer energetischen und stofflichen Behandlung mit dem MBR zeigen zusaumltzliche Vorteile wie erheblich kleinere Lagervolumen und deutlich geringere Transport- und Ausbringkosten wenn eine Umkehrosmose als Endstufe vorgesehen ist Bei Beach-tung der Verwertungskosten des Gaumlrsubstrats liegen die Kosten je nach betrieblichen Voraussetzun-gen im Bereich der konventionellen Vergaumlrung Zusaumltzlich lassen sich die Naumlhrstoffe effizienter ein-setzen sowie allenfalls Mineralduumlnger ersetzen

Aufgrund der beschriebenen Widrigkeiten bei der Versuchsdurchfuumlhrung konnte das Potential des MBR-Verfahrens nicht abschliessend beurteilt werden Durch eine laumlnger angelegte Versuchsreihe koumlnnten viele der offenen Fragen vertiefter beantwortet werden

TEIL 2 Beschreibung der Pilotanlage

Die Pilotanlage wurde als Membranbioreaktor (MBR) konzipiert und konnte Ende 2006 ihren Betrieb aufnehmen Ihre Verarbeitungskapazitaumlt liegt vorerst bei rund 20000 bis25000 Jahrestonnen Davon werden rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus dem eigenen Schweinemast- und zuchtbetrieb vergaumlrt Die rest-liche Biomasse sind Abfaumllle aus dem Lebensmittelhandel der Nahrungsmittelproduktion und dem Gastgewerbe Durch zwei getrennte Annahmelinien koumlnnen sowohl hygienisch unbedenkliche als auch zu sterilisierende Abfaumllle professionell verarbeitet werden Durch die installierte Membrantrenn-technik wird einerseits lebende Biomasse (Bakterien) in die Fermenter ruumlckgefuumlhrt und anderseits das vergorene Material in wertvolle Duumlngerfraktionen aufgeteilt Mehr als die Haumllfte der verarbeiteten Ma-terialien faumlllt anschliessend als Brauchwasser an und reduziert damit den Aufwand der Duumlngerruumlck-fuumlhrung in die Landwirtschaft erheblich

Die installierte Leistung liegt bei 11 MW elektrisch Die Anlage wurde so konzipiert dass ein weiterer Ausbau moumlglich ist Die Investitionskosten liegen ohne Buumlro- und Lagertrakt bei rund Fr 125 Mio

TEIL 3 Messungen an der Pilotanlage waumlhrend des ersten Betriebsjahres (Messkampagne)

Waumlhrend der Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 wurden rund 14100 t Biomasse verarbeitet Davon liegt der Guumllleanteil bei rund 8rsquo000 Tonnen Die verarbeitete Menge ent-spricht rund 50-60 der maximalen Verbeitungskapazitaumlt Dies begruumlndet sich mit einer vorsichtigen Beschickung in der Anfahrphase und einer zuruumlckhaltenden Annahme von Abfaumlllen als Folge der an-

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Projekt MBR ARGE MBR

faumlnglich unzureichenden Fest-Fluumlssigtrennung sowie der unbefriedigenden Abluftreinigung fuumlr den Sektor der Sterilisationsanlage

Waumlhrend des Umbaus an der Fest-Fluumlssig-Trennung von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober konnte kein UF-Retentat produziert und somit auch nicht in den Fermenter ruumlckgefuumlhrt werden In dieser Zeit wur-de die Anlage konventionell und nicht als MBR betrieben Aufgrund der erwaumlhnten Geruchsemissio-nen wird seit Mitte Oktober bis zum Einbau der neuen Abluftreinigung die Annahme in der roten Linie gedrosselt Da diese Produkte einen weit houmlheren Gasertrag ergeben ist hier mit einer voruumlberge-henden Reduktion zu rechnen

Als Folge davon konnte waumlhrend der gesamten Messkampagne niemals ein ausreichend langer Zeit-raum betrachtet werden um den Effekt des MBR-Prozesses gesichert zu beurteilen

Die drei Fermenter lieferten waumlhrend der Messperiode rund 156 Mio m3 Biogas mit einem durch-schnittlichen Methangehalt von 63 Die Gasausbeute liegt uumlber alles bei 110 m3t FS bzw bei 230 m3t Frischsubstanz bei den Cosubstraten

Das installierte Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 11 MWel lieferte waumlhrend des Messjahres 3rsquo870 MWh Strom Der Eigenverbrauch der Anlage inklusive Lager- und Buumlrotrakt lag bei rund 1049 MWh elektrisch

Die Abwaumlrme des BHKW wird fuumlr die Sterilisationsanlage Futterkuumlche und Gebaumludeheizung genutzt Hierdurch konnten seit Inbetriebnahme rund 160000 kg Heizoumll eingespart werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

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nU

ltraf

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tion

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lagerZwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

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T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

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R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

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t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

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R uumlckfuumlhrung

UF

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B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

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101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

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Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

40

50

60

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90

Versuchstage

Gas

men

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h)

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degC)

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5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

1448

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

164

166

168

170

172

174

176

178

180

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186

188

190

192

194

196

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Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

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TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

2248

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

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Lagertank1800msup3

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

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000t

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Lagertank1800msup3

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Gaumlr

ruumlck

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d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

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700t

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Spuuml

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g20

0ta

3848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

3948

Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 3: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Inhaltsverzeichnis Abkuumlrzungen 2 Vorwort 3 Zusammenfassung 4 Abstract 6

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006) 7 Einleitung 7 Problemstellung 7 Projektziele 7 Material und Methoden 8 Resultate 11 Diskussion 19 Bewertung 22 Handlungsbedarf 23

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage 25 Ausgangslage 25 Beschreibung der Anlage 26

Eckdaten 27 Prinzipieller Anlagenaufbau und Produktionsablauf 27 Betrieb als Membranbioreaktor 27 Komponenten 29 Ablauforganisation 30 Ergebnisse und Erfahrungen waumlhrend des ersten Betriebsjahres 33

TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage 34 Ausgangslage 34 Ziele 34 Methode 34

Mess- und Regeltechnik 34 Ergebnisse des ersten Betriebsjahres 36

Inbetriebnahme 36 Schwierigkeiten und Optimierungen 36 Fest-Fluumlssigtrennung 36 Geruchsbelaumlstigung 36 Datenverlust im Leitsystem 36 Stoffmengen 37 Energie 39

Diskussion und Schlussfolgerungen 45 Handlungsbedarf 45 Literatur 46

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abkuumlrzungen a Jahr

AG Aargau

AR Appenzell Ausserrhoden

ARGE Arbeitsgemeinschaft

ASTAG Schweizerischer Nutzfahrzeugverband

BHKW Blockheizkraftwerk

CSB chemischer Sauerstoffbedarf

Cosubstrat Abfall

Covergaumlrung Vergaumlrung von Guumllle zusammen mit Abfaumlllen

d Tag

Duumlnnguumllle Fluumlssigphase aus der Separierung von Guumllle

Feed Beschickungsmenge

Feststoffe Festphase aus der Separierung

Fr Franken

FS Frischsubstanz

HRT hydraulische Verweilzeit

kDa Kilodalton (bei Membranprozessen Trennbereich einer Membran)

kWel Kilowatt elektrische Leistung

kWth Kilowatt thermische Leistung

kWh Kilowattstunde

konv Anlage konventionelle Anlage

MBR Membranbioreaktor

Mio Million

Mia Milliarde

mS milliSiemens (Einheit bei der Messung der Leitfaumlhigkeit)

MWh Megawattstunde

OS organische Substanz (Gluumlhverlust)

PampD-Anlage Pilot- und Demonstrationsanlage

PJ Petajoule

RB Raumbelastung

RO Umkehrosmose

RO-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Umkehrosmose nicht durch die Membran tritt (konzentrierter Teilstrom)

Rp Rappen

SH Schaffhausen

SRT Schlammaufenthaltsdauer

t Tonne

TS Trockensubstanz (Trockenruumlckstand)

UF Ultrafiltration

UF-Permeat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration durch die Membran tritt

UF-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration nicht durch die Membran tritt

(konzentrierter Teilstrom)

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Projekt MBR ARGE MBR

Vorwort Viele Grundlagen die in der Forschung erarbeitet werden brauchen oftmals lange Weiterentwicklun-gen um in der Praxis Fuss zu fassen In diesem Projekt wurde der Forschungsteil bereits an die spaumlte-re Realisierung gekoppelt Dank der innovativen Einstellung und der unternehmerischen Grundhaltung der beiden Bauherren Bruno und Jakob Boumlsch wurde aufgrund der Erfahrungen mit der vor Ort be-triebenen Forschungsanlage der Entscheid fuumlr den Bau des Membranbioreaktors (MBR) gefaumlllt Durch die gezielte Foumlrderung als Pilot und Demonstrationsanlage vom Bundesamt fuumlr Energie wurde das Risiko des Bauentscheides vermindert und damit der Entscheid fuumlr das neue Konzept erfolgreich mitbeeinflusst

Heute ist diese Pilot- und Demonstrationsanlage seit rund einem Jahr in Betrieb Wie jede neue Tech-nologie wurde sie mit groumlsseren und kleineren Anfangsschwierigkeiten konfrontiert Insgesamt hat sich das Konzept bewaumlhrt Die Bauherren sind von ihrer Anlage uumlberzeugt raumlumen konsequent die bdquoKinderkrankheitenldquo aus dem Weg und sind zuversichtlich im naumlchsten Jahr bereits mehr Abfaumllle an-nehmen zu koumlnnen

Neben erneuerbarer Energie in Form von Strom und Waumlrme produziert diese Biogasanlage erstmalig auch hochwertige Fluumlssigduumlngerfraktionen Eine entscheidende Voraussetzung um das Transportvo-lumen zu minimieren und den Duumlnger effizient in die Landwirtschaft zuruumlckzufuumlhren Der Gedanke eines geschlossenen und effizienten Stoff- und Energiekreislaufes konnte somit weitgehend verwirk-licht werden Es ist zu hoffen dass das Konzept des Membranbioreaktors in der Praxis vermehrt Be-achtung finden wird und weitere Anlagen entstehen

Die Autoren danken dem Bundesamt fuumlr Energie und insbesondere Herrn Bruno Guggisberg fuumlr den erteilten Forschungsauftrag Weiter geht unser Dank an alle Projektbeteiligten die zum Gelingen bei-getragen haben

Der vorliegende Bericht ist in drei Teile gegliedert In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Zusammenfassung Der vorliegende Schlussbericht umfasst drei Teile In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

TEIL1 Ergebnisse auf der Forschungsanlage im halbtechnischen Massstab

Ziel des Projektes ist die Abklaumlrung der Eignung des Membranreaktors (MBR) zur Vergaumlrung sowohl von Guumllle als auch von Guumllle und Co-Substraten Anhand von Laboruntersuchungen und einer Ver-suchsanlage wurden Erkenntnisse erarbeitet die in den Betrieb einer PampD-Anlage einfliessen sollen

Die Versuchsanlage ist prozesstechnisch gepruumlft und in Betrieb gesetzt worden Entsprechende An-passungen im Bereich der Anlagenperipherie mussten fuumlr die Aufrechterhaltung eines konstanten Betriebs vorgenommen werden Fuumlr den Betrieb des MBR wurde separierte Duumlnnguumllle bzw zerklei-nerte Cosubstrate verwendet Die Ultrafiltration mit organischen Membranen ist direkt mit dem Fer-menter gekoppelt betrieben worden

Die Biomasse kann im Fermenter vollstaumlndig zuruumlckgehalten werden Dies erlaubt eine Reduktion des Fermentervolumens um rund 75 Die Gasproduktion und die Raumbelastung im MBR sind mit kon-ventionellen Biogasanlagen vergleichbar Die Versuche liefen mit zwei Schweineguumlllen Die erste Guumll-le zeigte sowohl im Labor als auch an der Versuchsanlage im Vergleich zu Referenzdaten geringe Gasproduktionsleistungen Am 130 Versuchstag trat eine nicht genauer analysierte Totalhemmung des Gaumlrprozesses auf Mit der zweiten Schweineguumllle konnten deutlich bessere Leistungswerte nach-gewiesen werden Aus zeitlichen Gruumlnden und wegen den Witterungsbedingungen (Winter) konnten die Versuche mit houmlheren Raumbelastungen nicht unter stabilen Gaumlrprozessbedingungen zu Ende gefuumlhrt werden

Die verfahrens- und prozesstechnischen Bedingungen an den MBR lassen sich ohne weiteres in die Praxis umsetzen Das MBR-System zeichnet sich durch eine hohe Anpassungsfaumlhigkeit an die ent-sprechenden Rohsubstrate aus Die Kombination einer energetischen und stofflichen Behandlung mit dem MBR zeigen zusaumltzliche Vorteile wie erheblich kleinere Lagervolumen und deutlich geringere Transport- und Ausbringkosten wenn eine Umkehrosmose als Endstufe vorgesehen ist Bei Beach-tung der Verwertungskosten des Gaumlrsubstrats liegen die Kosten je nach betrieblichen Voraussetzun-gen im Bereich der konventionellen Vergaumlrung Zusaumltzlich lassen sich die Naumlhrstoffe effizienter ein-setzen sowie allenfalls Mineralduumlnger ersetzen

Aufgrund der beschriebenen Widrigkeiten bei der Versuchsdurchfuumlhrung konnte das Potential des MBR-Verfahrens nicht abschliessend beurteilt werden Durch eine laumlnger angelegte Versuchsreihe koumlnnten viele der offenen Fragen vertiefter beantwortet werden

TEIL 2 Beschreibung der Pilotanlage

Die Pilotanlage wurde als Membranbioreaktor (MBR) konzipiert und konnte Ende 2006 ihren Betrieb aufnehmen Ihre Verarbeitungskapazitaumlt liegt vorerst bei rund 20000 bis25000 Jahrestonnen Davon werden rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus dem eigenen Schweinemast- und zuchtbetrieb vergaumlrt Die rest-liche Biomasse sind Abfaumllle aus dem Lebensmittelhandel der Nahrungsmittelproduktion und dem Gastgewerbe Durch zwei getrennte Annahmelinien koumlnnen sowohl hygienisch unbedenkliche als auch zu sterilisierende Abfaumllle professionell verarbeitet werden Durch die installierte Membrantrenn-technik wird einerseits lebende Biomasse (Bakterien) in die Fermenter ruumlckgefuumlhrt und anderseits das vergorene Material in wertvolle Duumlngerfraktionen aufgeteilt Mehr als die Haumllfte der verarbeiteten Ma-terialien faumlllt anschliessend als Brauchwasser an und reduziert damit den Aufwand der Duumlngerruumlck-fuumlhrung in die Landwirtschaft erheblich

Die installierte Leistung liegt bei 11 MW elektrisch Die Anlage wurde so konzipiert dass ein weiterer Ausbau moumlglich ist Die Investitionskosten liegen ohne Buumlro- und Lagertrakt bei rund Fr 125 Mio

TEIL 3 Messungen an der Pilotanlage waumlhrend des ersten Betriebsjahres (Messkampagne)

Waumlhrend der Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 wurden rund 14100 t Biomasse verarbeitet Davon liegt der Guumllleanteil bei rund 8rsquo000 Tonnen Die verarbeitete Menge ent-spricht rund 50-60 der maximalen Verbeitungskapazitaumlt Dies begruumlndet sich mit einer vorsichtigen Beschickung in der Anfahrphase und einer zuruumlckhaltenden Annahme von Abfaumlllen als Folge der an-

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Projekt MBR ARGE MBR

faumlnglich unzureichenden Fest-Fluumlssigtrennung sowie der unbefriedigenden Abluftreinigung fuumlr den Sektor der Sterilisationsanlage

Waumlhrend des Umbaus an der Fest-Fluumlssig-Trennung von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober konnte kein UF-Retentat produziert und somit auch nicht in den Fermenter ruumlckgefuumlhrt werden In dieser Zeit wur-de die Anlage konventionell und nicht als MBR betrieben Aufgrund der erwaumlhnten Geruchsemissio-nen wird seit Mitte Oktober bis zum Einbau der neuen Abluftreinigung die Annahme in der roten Linie gedrosselt Da diese Produkte einen weit houmlheren Gasertrag ergeben ist hier mit einer voruumlberge-henden Reduktion zu rechnen

Als Folge davon konnte waumlhrend der gesamten Messkampagne niemals ein ausreichend langer Zeit-raum betrachtet werden um den Effekt des MBR-Prozesses gesichert zu beurteilen

Die drei Fermenter lieferten waumlhrend der Messperiode rund 156 Mio m3 Biogas mit einem durch-schnittlichen Methangehalt von 63 Die Gasausbeute liegt uumlber alles bei 110 m3t FS bzw bei 230 m3t Frischsubstanz bei den Cosubstraten

Das installierte Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 11 MWel lieferte waumlhrend des Messjahres 3rsquo870 MWh Strom Der Eigenverbrauch der Anlage inklusive Lager- und Buumlrotrakt lag bei rund 1049 MWh elektrisch

Die Abwaumlrme des BHKW wird fuumlr die Sterilisationsanlage Futterkuumlche und Gebaumludeheizung genutzt Hierdurch konnten seit Inbetriebnahme rund 160000 kg Heizoumll eingespart werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

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S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

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Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

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R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

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P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

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Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

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R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

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R uumlckfuumlhrung

UF

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B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

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Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

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101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

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Fermenterinhalt UF-Permeat

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

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Versuchstage

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degC)

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TS-G

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) pH

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Versuchstag

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Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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Lagertank1800msup3

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

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Dezembe

r 06

Janu

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Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

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Augus

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r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

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risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

4148

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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Page 4: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Abkuumlrzungen a Jahr

AG Aargau

AR Appenzell Ausserrhoden

ARGE Arbeitsgemeinschaft

ASTAG Schweizerischer Nutzfahrzeugverband

BHKW Blockheizkraftwerk

CSB chemischer Sauerstoffbedarf

Cosubstrat Abfall

Covergaumlrung Vergaumlrung von Guumllle zusammen mit Abfaumlllen

d Tag

Duumlnnguumllle Fluumlssigphase aus der Separierung von Guumllle

Feed Beschickungsmenge

Feststoffe Festphase aus der Separierung

Fr Franken

FS Frischsubstanz

HRT hydraulische Verweilzeit

kDa Kilodalton (bei Membranprozessen Trennbereich einer Membran)

kWel Kilowatt elektrische Leistung

kWth Kilowatt thermische Leistung

kWh Kilowattstunde

konv Anlage konventionelle Anlage

MBR Membranbioreaktor

Mio Million

Mia Milliarde

mS milliSiemens (Einheit bei der Messung der Leitfaumlhigkeit)

MWh Megawattstunde

OS organische Substanz (Gluumlhverlust)

PampD-Anlage Pilot- und Demonstrationsanlage

PJ Petajoule

RB Raumbelastung

RO Umkehrosmose

RO-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Umkehrosmose nicht durch die Membran tritt (konzentrierter Teilstrom)

Rp Rappen

SH Schaffhausen

SRT Schlammaufenthaltsdauer

t Tonne

TS Trockensubstanz (Trockenruumlckstand)

UF Ultrafiltration

UF-Permeat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration durch die Membran tritt

UF-Retentat Fluumlssigkeit die bei der Ultrafiltration nicht durch die Membran tritt

(konzentrierter Teilstrom)

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Projekt MBR ARGE MBR

Vorwort Viele Grundlagen die in der Forschung erarbeitet werden brauchen oftmals lange Weiterentwicklun-gen um in der Praxis Fuss zu fassen In diesem Projekt wurde der Forschungsteil bereits an die spaumlte-re Realisierung gekoppelt Dank der innovativen Einstellung und der unternehmerischen Grundhaltung der beiden Bauherren Bruno und Jakob Boumlsch wurde aufgrund der Erfahrungen mit der vor Ort be-triebenen Forschungsanlage der Entscheid fuumlr den Bau des Membranbioreaktors (MBR) gefaumlllt Durch die gezielte Foumlrderung als Pilot und Demonstrationsanlage vom Bundesamt fuumlr Energie wurde das Risiko des Bauentscheides vermindert und damit der Entscheid fuumlr das neue Konzept erfolgreich mitbeeinflusst

Heute ist diese Pilot- und Demonstrationsanlage seit rund einem Jahr in Betrieb Wie jede neue Tech-nologie wurde sie mit groumlsseren und kleineren Anfangsschwierigkeiten konfrontiert Insgesamt hat sich das Konzept bewaumlhrt Die Bauherren sind von ihrer Anlage uumlberzeugt raumlumen konsequent die bdquoKinderkrankheitenldquo aus dem Weg und sind zuversichtlich im naumlchsten Jahr bereits mehr Abfaumllle an-nehmen zu koumlnnen

Neben erneuerbarer Energie in Form von Strom und Waumlrme produziert diese Biogasanlage erstmalig auch hochwertige Fluumlssigduumlngerfraktionen Eine entscheidende Voraussetzung um das Transportvo-lumen zu minimieren und den Duumlnger effizient in die Landwirtschaft zuruumlckzufuumlhren Der Gedanke eines geschlossenen und effizienten Stoff- und Energiekreislaufes konnte somit weitgehend verwirk-licht werden Es ist zu hoffen dass das Konzept des Membranbioreaktors in der Praxis vermehrt Be-achtung finden wird und weitere Anlagen entstehen

Die Autoren danken dem Bundesamt fuumlr Energie und insbesondere Herrn Bruno Guggisberg fuumlr den erteilten Forschungsauftrag Weiter geht unser Dank an alle Projektbeteiligten die zum Gelingen bei-getragen haben

Der vorliegende Bericht ist in drei Teile gegliedert In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Zusammenfassung Der vorliegende Schlussbericht umfasst drei Teile In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

TEIL1 Ergebnisse auf der Forschungsanlage im halbtechnischen Massstab

Ziel des Projektes ist die Abklaumlrung der Eignung des Membranreaktors (MBR) zur Vergaumlrung sowohl von Guumllle als auch von Guumllle und Co-Substraten Anhand von Laboruntersuchungen und einer Ver-suchsanlage wurden Erkenntnisse erarbeitet die in den Betrieb einer PampD-Anlage einfliessen sollen

Die Versuchsanlage ist prozesstechnisch gepruumlft und in Betrieb gesetzt worden Entsprechende An-passungen im Bereich der Anlagenperipherie mussten fuumlr die Aufrechterhaltung eines konstanten Betriebs vorgenommen werden Fuumlr den Betrieb des MBR wurde separierte Duumlnnguumllle bzw zerklei-nerte Cosubstrate verwendet Die Ultrafiltration mit organischen Membranen ist direkt mit dem Fer-menter gekoppelt betrieben worden

Die Biomasse kann im Fermenter vollstaumlndig zuruumlckgehalten werden Dies erlaubt eine Reduktion des Fermentervolumens um rund 75 Die Gasproduktion und die Raumbelastung im MBR sind mit kon-ventionellen Biogasanlagen vergleichbar Die Versuche liefen mit zwei Schweineguumlllen Die erste Guumll-le zeigte sowohl im Labor als auch an der Versuchsanlage im Vergleich zu Referenzdaten geringe Gasproduktionsleistungen Am 130 Versuchstag trat eine nicht genauer analysierte Totalhemmung des Gaumlrprozesses auf Mit der zweiten Schweineguumllle konnten deutlich bessere Leistungswerte nach-gewiesen werden Aus zeitlichen Gruumlnden und wegen den Witterungsbedingungen (Winter) konnten die Versuche mit houmlheren Raumbelastungen nicht unter stabilen Gaumlrprozessbedingungen zu Ende gefuumlhrt werden

Die verfahrens- und prozesstechnischen Bedingungen an den MBR lassen sich ohne weiteres in die Praxis umsetzen Das MBR-System zeichnet sich durch eine hohe Anpassungsfaumlhigkeit an die ent-sprechenden Rohsubstrate aus Die Kombination einer energetischen und stofflichen Behandlung mit dem MBR zeigen zusaumltzliche Vorteile wie erheblich kleinere Lagervolumen und deutlich geringere Transport- und Ausbringkosten wenn eine Umkehrosmose als Endstufe vorgesehen ist Bei Beach-tung der Verwertungskosten des Gaumlrsubstrats liegen die Kosten je nach betrieblichen Voraussetzun-gen im Bereich der konventionellen Vergaumlrung Zusaumltzlich lassen sich die Naumlhrstoffe effizienter ein-setzen sowie allenfalls Mineralduumlnger ersetzen

Aufgrund der beschriebenen Widrigkeiten bei der Versuchsdurchfuumlhrung konnte das Potential des MBR-Verfahrens nicht abschliessend beurteilt werden Durch eine laumlnger angelegte Versuchsreihe koumlnnten viele der offenen Fragen vertiefter beantwortet werden

TEIL 2 Beschreibung der Pilotanlage

Die Pilotanlage wurde als Membranbioreaktor (MBR) konzipiert und konnte Ende 2006 ihren Betrieb aufnehmen Ihre Verarbeitungskapazitaumlt liegt vorerst bei rund 20000 bis25000 Jahrestonnen Davon werden rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus dem eigenen Schweinemast- und zuchtbetrieb vergaumlrt Die rest-liche Biomasse sind Abfaumllle aus dem Lebensmittelhandel der Nahrungsmittelproduktion und dem Gastgewerbe Durch zwei getrennte Annahmelinien koumlnnen sowohl hygienisch unbedenkliche als auch zu sterilisierende Abfaumllle professionell verarbeitet werden Durch die installierte Membrantrenn-technik wird einerseits lebende Biomasse (Bakterien) in die Fermenter ruumlckgefuumlhrt und anderseits das vergorene Material in wertvolle Duumlngerfraktionen aufgeteilt Mehr als die Haumllfte der verarbeiteten Ma-terialien faumlllt anschliessend als Brauchwasser an und reduziert damit den Aufwand der Duumlngerruumlck-fuumlhrung in die Landwirtschaft erheblich

Die installierte Leistung liegt bei 11 MW elektrisch Die Anlage wurde so konzipiert dass ein weiterer Ausbau moumlglich ist Die Investitionskosten liegen ohne Buumlro- und Lagertrakt bei rund Fr 125 Mio

TEIL 3 Messungen an der Pilotanlage waumlhrend des ersten Betriebsjahres (Messkampagne)

Waumlhrend der Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 wurden rund 14100 t Biomasse verarbeitet Davon liegt der Guumllleanteil bei rund 8rsquo000 Tonnen Die verarbeitete Menge ent-spricht rund 50-60 der maximalen Verbeitungskapazitaumlt Dies begruumlndet sich mit einer vorsichtigen Beschickung in der Anfahrphase und einer zuruumlckhaltenden Annahme von Abfaumlllen als Folge der an-

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Projekt MBR ARGE MBR

faumlnglich unzureichenden Fest-Fluumlssigtrennung sowie der unbefriedigenden Abluftreinigung fuumlr den Sektor der Sterilisationsanlage

Waumlhrend des Umbaus an der Fest-Fluumlssig-Trennung von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober konnte kein UF-Retentat produziert und somit auch nicht in den Fermenter ruumlckgefuumlhrt werden In dieser Zeit wur-de die Anlage konventionell und nicht als MBR betrieben Aufgrund der erwaumlhnten Geruchsemissio-nen wird seit Mitte Oktober bis zum Einbau der neuen Abluftreinigung die Annahme in der roten Linie gedrosselt Da diese Produkte einen weit houmlheren Gasertrag ergeben ist hier mit einer voruumlberge-henden Reduktion zu rechnen

Als Folge davon konnte waumlhrend der gesamten Messkampagne niemals ein ausreichend langer Zeit-raum betrachtet werden um den Effekt des MBR-Prozesses gesichert zu beurteilen

Die drei Fermenter lieferten waumlhrend der Messperiode rund 156 Mio m3 Biogas mit einem durch-schnittlichen Methangehalt von 63 Die Gasausbeute liegt uumlber alles bei 110 m3t FS bzw bei 230 m3t Frischsubstanz bei den Cosubstraten

Das installierte Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 11 MWel lieferte waumlhrend des Messjahres 3rsquo870 MWh Strom Der Eigenverbrauch der Anlage inklusive Lager- und Buumlrotrakt lag bei rund 1049 MWh elektrisch

Die Abwaumlrme des BHKW wird fuumlr die Sterilisationsanlage Futterkuumlche und Gebaumludeheizung genutzt Hierdurch konnten seit Inbetriebnahme rund 160000 kg Heizoumll eingespart werden

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Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

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R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

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P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

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T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

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R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

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R uumlckfuumlhrung

UF

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DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

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101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

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Fermenterinhalt UF-Permeat

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

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Versuchstage

Gas

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degC)

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TS-G

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) pH

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4 (g

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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(gl)

024681012141618202224262830

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Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

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RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Page 5: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Vorwort Viele Grundlagen die in der Forschung erarbeitet werden brauchen oftmals lange Weiterentwicklun-gen um in der Praxis Fuss zu fassen In diesem Projekt wurde der Forschungsteil bereits an die spaumlte-re Realisierung gekoppelt Dank der innovativen Einstellung und der unternehmerischen Grundhaltung der beiden Bauherren Bruno und Jakob Boumlsch wurde aufgrund der Erfahrungen mit der vor Ort be-triebenen Forschungsanlage der Entscheid fuumlr den Bau des Membranbioreaktors (MBR) gefaumlllt Durch die gezielte Foumlrderung als Pilot und Demonstrationsanlage vom Bundesamt fuumlr Energie wurde das Risiko des Bauentscheides vermindert und damit der Entscheid fuumlr das neue Konzept erfolgreich mitbeeinflusst

Heute ist diese Pilot- und Demonstrationsanlage seit rund einem Jahr in Betrieb Wie jede neue Tech-nologie wurde sie mit groumlsseren und kleineren Anfangsschwierigkeiten konfrontiert Insgesamt hat sich das Konzept bewaumlhrt Die Bauherren sind von ihrer Anlage uumlberzeugt raumlumen konsequent die bdquoKinderkrankheitenldquo aus dem Weg und sind zuversichtlich im naumlchsten Jahr bereits mehr Abfaumllle an-nehmen zu koumlnnen

Neben erneuerbarer Energie in Form von Strom und Waumlrme produziert diese Biogasanlage erstmalig auch hochwertige Fluumlssigduumlngerfraktionen Eine entscheidende Voraussetzung um das Transportvo-lumen zu minimieren und den Duumlnger effizient in die Landwirtschaft zuruumlckzufuumlhren Der Gedanke eines geschlossenen und effizienten Stoff- und Energiekreislaufes konnte somit weitgehend verwirk-licht werden Es ist zu hoffen dass das Konzept des Membranbioreaktors in der Praxis vermehrt Be-achtung finden wird und weitere Anlagen entstehen

Die Autoren danken dem Bundesamt fuumlr Energie und insbesondere Herrn Bruno Guggisberg fuumlr den erteilten Forschungsauftrag Weiter geht unser Dank an alle Projektbeteiligten die zum Gelingen bei-getragen haben

Der vorliegende Bericht ist in drei Teile gegliedert In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

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Zusammenfassung Der vorliegende Schlussbericht umfasst drei Teile In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

TEIL1 Ergebnisse auf der Forschungsanlage im halbtechnischen Massstab

Ziel des Projektes ist die Abklaumlrung der Eignung des Membranreaktors (MBR) zur Vergaumlrung sowohl von Guumllle als auch von Guumllle und Co-Substraten Anhand von Laboruntersuchungen und einer Ver-suchsanlage wurden Erkenntnisse erarbeitet die in den Betrieb einer PampD-Anlage einfliessen sollen

Die Versuchsanlage ist prozesstechnisch gepruumlft und in Betrieb gesetzt worden Entsprechende An-passungen im Bereich der Anlagenperipherie mussten fuumlr die Aufrechterhaltung eines konstanten Betriebs vorgenommen werden Fuumlr den Betrieb des MBR wurde separierte Duumlnnguumllle bzw zerklei-nerte Cosubstrate verwendet Die Ultrafiltration mit organischen Membranen ist direkt mit dem Fer-menter gekoppelt betrieben worden

Die Biomasse kann im Fermenter vollstaumlndig zuruumlckgehalten werden Dies erlaubt eine Reduktion des Fermentervolumens um rund 75 Die Gasproduktion und die Raumbelastung im MBR sind mit kon-ventionellen Biogasanlagen vergleichbar Die Versuche liefen mit zwei Schweineguumlllen Die erste Guumll-le zeigte sowohl im Labor als auch an der Versuchsanlage im Vergleich zu Referenzdaten geringe Gasproduktionsleistungen Am 130 Versuchstag trat eine nicht genauer analysierte Totalhemmung des Gaumlrprozesses auf Mit der zweiten Schweineguumllle konnten deutlich bessere Leistungswerte nach-gewiesen werden Aus zeitlichen Gruumlnden und wegen den Witterungsbedingungen (Winter) konnten die Versuche mit houmlheren Raumbelastungen nicht unter stabilen Gaumlrprozessbedingungen zu Ende gefuumlhrt werden

Die verfahrens- und prozesstechnischen Bedingungen an den MBR lassen sich ohne weiteres in die Praxis umsetzen Das MBR-System zeichnet sich durch eine hohe Anpassungsfaumlhigkeit an die ent-sprechenden Rohsubstrate aus Die Kombination einer energetischen und stofflichen Behandlung mit dem MBR zeigen zusaumltzliche Vorteile wie erheblich kleinere Lagervolumen und deutlich geringere Transport- und Ausbringkosten wenn eine Umkehrosmose als Endstufe vorgesehen ist Bei Beach-tung der Verwertungskosten des Gaumlrsubstrats liegen die Kosten je nach betrieblichen Voraussetzun-gen im Bereich der konventionellen Vergaumlrung Zusaumltzlich lassen sich die Naumlhrstoffe effizienter ein-setzen sowie allenfalls Mineralduumlnger ersetzen

Aufgrund der beschriebenen Widrigkeiten bei der Versuchsdurchfuumlhrung konnte das Potential des MBR-Verfahrens nicht abschliessend beurteilt werden Durch eine laumlnger angelegte Versuchsreihe koumlnnten viele der offenen Fragen vertiefter beantwortet werden

TEIL 2 Beschreibung der Pilotanlage

Die Pilotanlage wurde als Membranbioreaktor (MBR) konzipiert und konnte Ende 2006 ihren Betrieb aufnehmen Ihre Verarbeitungskapazitaumlt liegt vorerst bei rund 20000 bis25000 Jahrestonnen Davon werden rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus dem eigenen Schweinemast- und zuchtbetrieb vergaumlrt Die rest-liche Biomasse sind Abfaumllle aus dem Lebensmittelhandel der Nahrungsmittelproduktion und dem Gastgewerbe Durch zwei getrennte Annahmelinien koumlnnen sowohl hygienisch unbedenkliche als auch zu sterilisierende Abfaumllle professionell verarbeitet werden Durch die installierte Membrantrenn-technik wird einerseits lebende Biomasse (Bakterien) in die Fermenter ruumlckgefuumlhrt und anderseits das vergorene Material in wertvolle Duumlngerfraktionen aufgeteilt Mehr als die Haumllfte der verarbeiteten Ma-terialien faumlllt anschliessend als Brauchwasser an und reduziert damit den Aufwand der Duumlngerruumlck-fuumlhrung in die Landwirtschaft erheblich

Die installierte Leistung liegt bei 11 MW elektrisch Die Anlage wurde so konzipiert dass ein weiterer Ausbau moumlglich ist Die Investitionskosten liegen ohne Buumlro- und Lagertrakt bei rund Fr 125 Mio

TEIL 3 Messungen an der Pilotanlage waumlhrend des ersten Betriebsjahres (Messkampagne)

Waumlhrend der Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 wurden rund 14100 t Biomasse verarbeitet Davon liegt der Guumllleanteil bei rund 8rsquo000 Tonnen Die verarbeitete Menge ent-spricht rund 50-60 der maximalen Verbeitungskapazitaumlt Dies begruumlndet sich mit einer vorsichtigen Beschickung in der Anfahrphase und einer zuruumlckhaltenden Annahme von Abfaumlllen als Folge der an-

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faumlnglich unzureichenden Fest-Fluumlssigtrennung sowie der unbefriedigenden Abluftreinigung fuumlr den Sektor der Sterilisationsanlage

Waumlhrend des Umbaus an der Fest-Fluumlssig-Trennung von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober konnte kein UF-Retentat produziert und somit auch nicht in den Fermenter ruumlckgefuumlhrt werden In dieser Zeit wur-de die Anlage konventionell und nicht als MBR betrieben Aufgrund der erwaumlhnten Geruchsemissio-nen wird seit Mitte Oktober bis zum Einbau der neuen Abluftreinigung die Annahme in der roten Linie gedrosselt Da diese Produkte einen weit houmlheren Gasertrag ergeben ist hier mit einer voruumlberge-henden Reduktion zu rechnen

Als Folge davon konnte waumlhrend der gesamten Messkampagne niemals ein ausreichend langer Zeit-raum betrachtet werden um den Effekt des MBR-Prozesses gesichert zu beurteilen

Die drei Fermenter lieferten waumlhrend der Messperiode rund 156 Mio m3 Biogas mit einem durch-schnittlichen Methangehalt von 63 Die Gasausbeute liegt uumlber alles bei 110 m3t FS bzw bei 230 m3t Frischsubstanz bei den Cosubstraten

Das installierte Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 11 MWel lieferte waumlhrend des Messjahres 3rsquo870 MWh Strom Der Eigenverbrauch der Anlage inklusive Lager- und Buumlrotrakt lag bei rund 1049 MWh elektrisch

Die Abwaumlrme des BHKW wird fuumlr die Sterilisationsanlage Futterkuumlche und Gebaumludeheizung genutzt Hierdurch konnten seit Inbetriebnahme rund 160000 kg Heizoumll eingespart werden

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Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

tion

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lagerZwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

948

Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

1048

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

tion

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

1148

Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

1248

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

1348

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

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tur (

degC)

0

1

2

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5

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8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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(gl)

024681012141618202224262830

TS u

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()

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keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

164

166

168

170

172

174

176

178

180

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186

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192

194

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Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

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degC)

0

1

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TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

1748

Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

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esko

sten

Ein

nahm

en (F

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

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r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

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Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

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[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 6: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Zusammenfassung Der vorliegende Schlussbericht umfasst drei Teile In TEIL 1 werden die Ergebnisse der Forschungs-anlage wiedergegeben TEIL 2 umfasst den Beschrieb der erstellten Pilotanlage und TEIL 3 beinhaltet die Messkampagne waumlhrend des ersten Betriebsjahres

TEIL1 Ergebnisse auf der Forschungsanlage im halbtechnischen Massstab

Ziel des Projektes ist die Abklaumlrung der Eignung des Membranreaktors (MBR) zur Vergaumlrung sowohl von Guumllle als auch von Guumllle und Co-Substraten Anhand von Laboruntersuchungen und einer Ver-suchsanlage wurden Erkenntnisse erarbeitet die in den Betrieb einer PampD-Anlage einfliessen sollen

Die Versuchsanlage ist prozesstechnisch gepruumlft und in Betrieb gesetzt worden Entsprechende An-passungen im Bereich der Anlagenperipherie mussten fuumlr die Aufrechterhaltung eines konstanten Betriebs vorgenommen werden Fuumlr den Betrieb des MBR wurde separierte Duumlnnguumllle bzw zerklei-nerte Cosubstrate verwendet Die Ultrafiltration mit organischen Membranen ist direkt mit dem Fer-menter gekoppelt betrieben worden

Die Biomasse kann im Fermenter vollstaumlndig zuruumlckgehalten werden Dies erlaubt eine Reduktion des Fermentervolumens um rund 75 Die Gasproduktion und die Raumbelastung im MBR sind mit kon-ventionellen Biogasanlagen vergleichbar Die Versuche liefen mit zwei Schweineguumlllen Die erste Guumll-le zeigte sowohl im Labor als auch an der Versuchsanlage im Vergleich zu Referenzdaten geringe Gasproduktionsleistungen Am 130 Versuchstag trat eine nicht genauer analysierte Totalhemmung des Gaumlrprozesses auf Mit der zweiten Schweineguumllle konnten deutlich bessere Leistungswerte nach-gewiesen werden Aus zeitlichen Gruumlnden und wegen den Witterungsbedingungen (Winter) konnten die Versuche mit houmlheren Raumbelastungen nicht unter stabilen Gaumlrprozessbedingungen zu Ende gefuumlhrt werden

Die verfahrens- und prozesstechnischen Bedingungen an den MBR lassen sich ohne weiteres in die Praxis umsetzen Das MBR-System zeichnet sich durch eine hohe Anpassungsfaumlhigkeit an die ent-sprechenden Rohsubstrate aus Die Kombination einer energetischen und stofflichen Behandlung mit dem MBR zeigen zusaumltzliche Vorteile wie erheblich kleinere Lagervolumen und deutlich geringere Transport- und Ausbringkosten wenn eine Umkehrosmose als Endstufe vorgesehen ist Bei Beach-tung der Verwertungskosten des Gaumlrsubstrats liegen die Kosten je nach betrieblichen Voraussetzun-gen im Bereich der konventionellen Vergaumlrung Zusaumltzlich lassen sich die Naumlhrstoffe effizienter ein-setzen sowie allenfalls Mineralduumlnger ersetzen

Aufgrund der beschriebenen Widrigkeiten bei der Versuchsdurchfuumlhrung konnte das Potential des MBR-Verfahrens nicht abschliessend beurteilt werden Durch eine laumlnger angelegte Versuchsreihe koumlnnten viele der offenen Fragen vertiefter beantwortet werden

TEIL 2 Beschreibung der Pilotanlage

Die Pilotanlage wurde als Membranbioreaktor (MBR) konzipiert und konnte Ende 2006 ihren Betrieb aufnehmen Ihre Verarbeitungskapazitaumlt liegt vorerst bei rund 20000 bis25000 Jahrestonnen Davon werden rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus dem eigenen Schweinemast- und zuchtbetrieb vergaumlrt Die rest-liche Biomasse sind Abfaumllle aus dem Lebensmittelhandel der Nahrungsmittelproduktion und dem Gastgewerbe Durch zwei getrennte Annahmelinien koumlnnen sowohl hygienisch unbedenkliche als auch zu sterilisierende Abfaumllle professionell verarbeitet werden Durch die installierte Membrantrenn-technik wird einerseits lebende Biomasse (Bakterien) in die Fermenter ruumlckgefuumlhrt und anderseits das vergorene Material in wertvolle Duumlngerfraktionen aufgeteilt Mehr als die Haumllfte der verarbeiteten Ma-terialien faumlllt anschliessend als Brauchwasser an und reduziert damit den Aufwand der Duumlngerruumlck-fuumlhrung in die Landwirtschaft erheblich

Die installierte Leistung liegt bei 11 MW elektrisch Die Anlage wurde so konzipiert dass ein weiterer Ausbau moumlglich ist Die Investitionskosten liegen ohne Buumlro- und Lagertrakt bei rund Fr 125 Mio

TEIL 3 Messungen an der Pilotanlage waumlhrend des ersten Betriebsjahres (Messkampagne)

Waumlhrend der Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 wurden rund 14100 t Biomasse verarbeitet Davon liegt der Guumllleanteil bei rund 8rsquo000 Tonnen Die verarbeitete Menge ent-spricht rund 50-60 der maximalen Verbeitungskapazitaumlt Dies begruumlndet sich mit einer vorsichtigen Beschickung in der Anfahrphase und einer zuruumlckhaltenden Annahme von Abfaumlllen als Folge der an-

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Projekt MBR ARGE MBR

faumlnglich unzureichenden Fest-Fluumlssigtrennung sowie der unbefriedigenden Abluftreinigung fuumlr den Sektor der Sterilisationsanlage

Waumlhrend des Umbaus an der Fest-Fluumlssig-Trennung von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober konnte kein UF-Retentat produziert und somit auch nicht in den Fermenter ruumlckgefuumlhrt werden In dieser Zeit wur-de die Anlage konventionell und nicht als MBR betrieben Aufgrund der erwaumlhnten Geruchsemissio-nen wird seit Mitte Oktober bis zum Einbau der neuen Abluftreinigung die Annahme in der roten Linie gedrosselt Da diese Produkte einen weit houmlheren Gasertrag ergeben ist hier mit einer voruumlberge-henden Reduktion zu rechnen

Als Folge davon konnte waumlhrend der gesamten Messkampagne niemals ein ausreichend langer Zeit-raum betrachtet werden um den Effekt des MBR-Prozesses gesichert zu beurteilen

Die drei Fermenter lieferten waumlhrend der Messperiode rund 156 Mio m3 Biogas mit einem durch-schnittlichen Methangehalt von 63 Die Gasausbeute liegt uumlber alles bei 110 m3t FS bzw bei 230 m3t Frischsubstanz bei den Cosubstraten

Das installierte Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 11 MWel lieferte waumlhrend des Messjahres 3rsquo870 MWh Strom Der Eigenverbrauch der Anlage inklusive Lager- und Buumlrotrakt lag bei rund 1049 MWh elektrisch

Die Abwaumlrme des BHKW wird fuumlr die Sterilisationsanlage Futterkuumlche und Gebaumludeheizung genutzt Hierdurch konnten seit Inbetriebnahme rund 160000 kg Heizoumll eingespart werden

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Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

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Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

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ltraf

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tion

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

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P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

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T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

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S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

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R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

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t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

1348

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

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Versuchstage

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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024681012141618202224262830

TS u

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pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

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164

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170

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Versuchstage

Gas

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TS-G

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) pH

NH

4 (g

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

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Ein

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r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

2148

Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

3748

Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

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OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

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[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 7: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

faumlnglich unzureichenden Fest-Fluumlssigtrennung sowie der unbefriedigenden Abluftreinigung fuumlr den Sektor der Sterilisationsanlage

Waumlhrend des Umbaus an der Fest-Fluumlssig-Trennung von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober konnte kein UF-Retentat produziert und somit auch nicht in den Fermenter ruumlckgefuumlhrt werden In dieser Zeit wur-de die Anlage konventionell und nicht als MBR betrieben Aufgrund der erwaumlhnten Geruchsemissio-nen wird seit Mitte Oktober bis zum Einbau der neuen Abluftreinigung die Annahme in der roten Linie gedrosselt Da diese Produkte einen weit houmlheren Gasertrag ergeben ist hier mit einer voruumlberge-henden Reduktion zu rechnen

Als Folge davon konnte waumlhrend der gesamten Messkampagne niemals ein ausreichend langer Zeit-raum betrachtet werden um den Effekt des MBR-Prozesses gesichert zu beurteilen

Die drei Fermenter lieferten waumlhrend der Messperiode rund 156 Mio m3 Biogas mit einem durch-schnittlichen Methangehalt von 63 Die Gasausbeute liegt uumlber alles bei 110 m3t FS bzw bei 230 m3t Frischsubstanz bei den Cosubstraten

Das installierte Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 11 MWel lieferte waumlhrend des Messjahres 3rsquo870 MWh Strom Der Eigenverbrauch der Anlage inklusive Lager- und Buumlrotrakt lag bei rund 1049 MWh elektrisch

Die Abwaumlrme des BHKW wird fuumlr die Sterilisationsanlage Futterkuumlche und Gebaumludeheizung genutzt Hierdurch konnten seit Inbetriebnahme rund 160000 kg Heizoumll eingespart werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

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tion

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

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P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

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eat

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T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

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R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

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R uumlckfuumlhrung

UF

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DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

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pro

Ton

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gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

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101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

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Fermenterinhalt UF-Permeat

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

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Versuchstage

Gas

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degC)

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TS-G

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) pH

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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(gl)

024681012141618202224262830

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Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

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RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

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[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 8: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Abstract The present paper is divided into three parts

Part 1 Research

Part 1 gives a survey of the research work done from 2003-2006 on a research plant with a fermenter volume of 3 m3 The results shows that the concept of a membrane-bioreactor (MBR) can work suc-cessfully It is a suitable option for closing the circle of matterflux in a sustainable way With the tech-nology of membrane separation the production of water and several fertilizer-fractions is given Beside the better application of liquid fertilizer compared with slurry the concentration is higher than common slurry The effect is 50 less transport

Part 2 Description of pilot-plant

The plant is able to handle about 20rsquo000-25rsquo000 tons of slurry and organic waste The plant is built as an membran-bioreactor (MBR) and allows to separate the digested biomass into fractions of solid and liquid fertilizers and useful water Furthermore a part of the separated and digested liquid is returned to the fermenter in order to get a better digestion process For the production of electricity a 11 MW generator is installed The amount of investment for plant without offices and storages is about 75 Mio euro

Part 3 Measuring of pilot-plant during November 2006 until November 2007 In the mentioned period 3rsquo870 MWh of electricity were produced By using the heat of the gas engine more than 160 tons of oil were replaced During the examined year the following problems were noted The separator delivering the solid particles was replaced into a specially adapted version The emission of odors especially in the sterilization zone forced the owners to install another kind of filter system

The results during the measuring period are difficult to be interpreted because the plant doesnrsquotrsquo work continuously to show the effect of the MBR system Between March and October 2007 the mentioned separator was replaced and therefore the biogas plant was driven in a conventionally way without effect of MBR In the beginning of measurement the effect of starting-up was much higher then the registered surplus of gas production After the replacement of the separator the reception of residues that have to be sterilized were reduced because of the odors But especially this kind of waste pro-duces a lot of biogas so that the surplus of the MBR canrsquot be shown neither here nor there The only result that can be given is to measure another year in order to show if there is a surplus of gas produc-tion by using the MBR system or not

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

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Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

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R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

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P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

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Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

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R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

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P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

1148

Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

1248

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

1348

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

10

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50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

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9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

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keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

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164

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170

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Versuchstage

Gas

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Tem

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TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

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800

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1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

1748

Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

1948

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

2148

Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

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t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 9: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 1 Forschungsarbeiten im halbtechnischen Massstab (2003-2006)

Einleitung Der Grossteil der landwirtschaftlichen Nutzflaumlche in der Schweiz besteht aus Gruumlnland Milch und Fleisch spielen deshalb eine zentrale wirtschaftlich wichtige Rolle So erzeugte der landwirtschaftliche Wirtschaftsbereich 2003 insgesamt Fr 101 Mia wovon 48 Mia auf Milch und Fleisch entfallen [2] Neben diesen beiden Produkten erzeugt die Tierhaltung auch Hofduumlnger die ein betraumlchtliches Po-tential von mehr als 23 PJ [3] zur energetischen Nutzung aufweisen Derzeit werden knapp 1 die-ses Potentials genutzt [4] Im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft sollte dieses Biomassepo-tential verstaumlrkt zur Nutzung erneuerbarer Energie sowie fuumlr eine effizientere Duumlngung eingesetzt werden Dies bedeutet in Zukunft dass Biogasverfahren zur Behandlung von Hofduumlnger vermehrt mit Naumlhrstoffaufbereitungsverfahren kombiniert werden sollten Ein zukunftstraumlchtiges Verfahren zur stoff-lichen Aufbereitung bietet die Membrantrenntechnik [5]

Problemstellung Bei der konventionellen Vergaumlrung von Hofduumlnger stehen meistens volldurchmischte Ruumlhrkessel in Betrieb Die Biomasse wird im Fermenter nicht zuruumlckgehalten und die Aufenthaltsdauer kann deswe-gen nicht beliebig reduziert werden Das vergorene Substrat muss vor der Ausbringung in geschlos-senen Behaumlltern gelagert werden [6] Grosse Fermenter und Gaumlrlager verteuern das Biogasverfahren

Der biologische Gaumlrprozess fuumlhrt zu einem Abbau der organischen Substanzen und gleichzeitig zu einer Zunahme des Ammoniumstickstoffgehalts Abgesehen vom Kohlenstoff fuumlhrt die Vergaumlrung zu keinen Naumlhrstoffreduktionen im Gaumlrsubstrat Eine Nachbehandlung des Gaumlrsubstrats hinsichtlich stoff-licher Eigenschaften erfolgt in der Praxis in der Regel nicht

Einfache Verfahren zur stofflichen Behandlung von Gaumlrsubstrat wie beispielsweise die Separierung sind hinsichtlich der Stoffabtrennung zu wenig leistungsfaumlhig Auch nach der Behandlung ist der uuml-berwiegende Teil der Naumlhrstoffe im Fluumlssiganteil enthalten [7] Im Falle lokaler Naumlhrstoffuumlberschuumlsse oder bei Covergaumlrungsanlagen muumlssen aufgrund der Zufuhr zusaumltzlicher Naumlhrstoffe weitergehende technische Verfahren zur Naumlhrstoffbehandlung des Fluumlssiganteils in Betracht gezogen werden Sie helfen den Verwertungsaufwand des Gaumlrsubstrats zu reduzieren sowie die Verwertungschancen der Duumlngerkomponenten auch ausserhalb der Landwirtschaft zu erweitern

Die Membrantrennung Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) erlaubt eine weitere stoffliche Aufbereitung der Fluumlssigphase nach der Separierung Die Betriebssicherheit als auch die Leistungsfauml-higkeit im Einsatz mit unvergorener Guumllle konnte aufgezeigt werden [8] An einer Praxisanlage liessen sich ebenfalls die Abtrennleistungen bei vergorenem Cosubstrat nachweisen Die UF in Kombination mit biologischen Prozessen als Membranbioreaktor (MBR) bezeichnet bietet die Moumlglichkeit die Bio-masse in den Reaktor zuruumlckzufuumlhren Dies laumlsst einen praktisch vollstaumlndigen Abbau der Organika erwarten Der Abbaugrad der bei konventionellen Fermenten bei rund 45 liegt kann dadurch bei-nahe verdoppelt werden [9]

Der MBR stellt ein neuartiges Verfahren im Rahmen der Behandlung von Guumllle dar Das Verfahren verspricht eine energetische Nutzung der Guumllle mit einer stofflichen Optimierung des Naumlhrstoffeinsat-zes kombinieren zu koumlnnen Bisher existieren keine Untersuchungen betreffend Vergaumlrung von Guumllle bzw Guumllle und Cosubstrat mit System des MBR

Projektziele Das Ziel des Projektes ist die Eignung des Membranbioreaktors (MBR) im Einsatz mit Guumllle sowie mit Co-Substraten zur Biogasproduktion unter Praxisbedingungen abzuklaumlren Im Wesentlichen geht es um die Leistungsfaumlhigkeit des MBR hinsichtlich Gasproduktion Gasausbeute Gasqualitaumlt hydrauli-sche Verweilzeit (HRT) Schlammaufenthaltsdauer (SRT) Betriebsfuumlhrung Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit

Anhand einer Versuchsanlage unterstuumltzt mit Versuchen im Labor sollen grundsaumltzliche Erkenntnis-se erarbeitet werden Die Erfahrungen fliessen in den Bau und in den Betrieb einer PampD-Anlage ein Wichtige Daten der PampD-Anlage werden im Rahmen einer Messkampagne erhoben

848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

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R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

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P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

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T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

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R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

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R uumlckfuumlhrung

UF

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B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

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Fermenterinhalt UF-Permeat

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

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Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

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9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

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(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

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RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

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lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

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Ein

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r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

4148

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 10: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Material und Methoden Versuchsanlage

Die Versuchsanlage mit einem Biogasreaktor und einer Ultrafiltration dient fuumlr Versuche im halbtech-nischen Massstab Den Aufbau stellt Abbildung 1 schematisch dar

Die Anlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten

- Grobstoffabtrennung mittels Uumlberstroumlmfiltration

- Fermenter (3000 l) und integriertem Waumlrmetauscher zum HeizenKuumlhlen

- Ultrafiltration mit organischen Membranen

- Gasleitung mit Kondensatabscheider und Gasmengen- sowie -qualitaumltsmessung

- Konventionelle Steuereinheit (Relaismatik)

Abbildung 1 Aufbau der Versuchsanlage (Steuerung nicht eingezeichnet)

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit separierter Duumlnnguumllle die uumlber eine Pumpe von oben in den Fer-menter gelangt Eine Niveauuumlberwachung im Fermenter erlaubt eine gesteuerte Zudosierung frischer Duumlnnguumllle Der Fermenterinhalt wird von unten entnommen und in die UF gepumpt In der UF erfolgt die Trennung in ein UF-Permeat das durch die Membran durchtritt und in ein UF-Retentat das von der Membran zuruumlckgehalten und in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt wird Das UF-Permeat wird vor der Weiterverwendung in einem Container zwischengelagert oder je nach Versuchsbedingungen teilweise in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt

Der Fermenter kann mittels Waumlrmetauscher sowohl beheizt als auch gekuumlhlt werden Der Heiz- bzw Kuumlhlkreislauf wird mit Wasser betrieben Das Biogas gelangt uumlber einen Kondensatabscheider zur Gasmesseinheit in der die Gasmenge kontinuierlich aufgezeichnet wird Der Methangehalt im Gas wird manuell mit einem Messgeraumlt erfasst

Am Fermenter ist ausserdem eine Pumpe zur Entnahme von Gaumlrsubstrat bzw noumltigenfalls zur zusaumltz-lichen Umwaumllzung des Fermenterinhalts vorhanden

Die gesamte Anlage wird mit einer Relaismatik-Steuereinheit uumlberwacht Die periodische Entnahme von Gaumlrsubstrat erfolgt von Hand Die Reinigung der UF wurde nach Unterschreiten einer bestimmten Fluxleistung an der Membran manuell vorgenommen

Rohguumllle und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Versuche wurden zwei verschiedene Schweineguumlllen verwendet (Tabelle 1) Die Rohguumllle ist jeweils vor der Vergaumlrung mit Hilfe eines Filtrationsgeraumlts in Duumlnnguumllle getrennt worden

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lager

P umpezur E ntnahmebzw zusaumltzlichen R eaktorumwaumllzung

P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

F-P

erm

eat

UF

-Ret

enta

t

T eilruumlckfuumlhrung falls erforderlich

Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

nguumll

le

S iphon

R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

Beschickungs-pumpe

F ermenter

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

tion

R uumlckfuumlhrung

Biogas Kamin

Gas-messung

Duumlnnguumllle-grube

Zwischen-lagerZwischen-lager

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P umpefuumlr Ultrafiltrationund R eaktorumwaumllzung

Kondensat-abscheider U

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Weiter-behandlung(Umkehr-osmose)

Duumln

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R ohguumllle Duumlnnguumllle

HeizungKuumlhlung

Wasser-behaumllter

Umwaumllz-pumpe

F ilter

Heizung

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

tion

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

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101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

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Versuchstage

Gas

men

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h)

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degC)

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9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

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4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

1448

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

164

166

168

170

172

174

176

178

180

182

184

186

188

190

192

194

196

198

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

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r Muumll

lver

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Anae

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Lagertank1800msup3

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

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Lagertank1800msup3

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

3848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

3948

Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

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[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 11: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Beide Betriebe halten sowohl Mutter- als auch Mastschweine Die Rohguumllle faumlllt als Mischung an Die Fuumltterung auf dem Betrieb A erfolgt mit Speiseresten Weizenstaumlrke Soja Fructose Apfeltrester und Ergaumlnzungskonzentrat Das Futter wird teilweise angesaumluert (Mehrkomponentensaumlure) Der Betrieb B fuumlttert Gastrosuppe Schotte Bierhefe Weizenstaumlrke und Ergaumlnzungsfutter Im Winter werden Kartof-feln zugefuumlttert Beide Betriebe setzen regelmaumlssig Reinigungs- und Desinfektionsmittel ein Der Be-trieb A verwendet woumlchentlich Antibiotika bei den Ferkeln

Tabelle 1 Gehalte der verwendeten Rohguumllle bzw Duumlnnguumllle (Durchschnittswerte)

Die Untersuchungsmethoden erfolgten gemaumlss Ordner Kompost und Klaumlrschlamm bdquoWeisungen und Empfehlungen der Eidg Forschungsanstalt fuumlr Agrikulturchemie und Umwelthygiene ( FAC ) im Be-reich der Abfallduumlngungldquo und gemaumlss Methodensammlung bdquoSchweizerische Referenzmethoden der Eidg Landwirtschaftlichen Forschungsanstaltenldquo

Auf die Grundlagen zur Kostenkalkulation verweist Tabelle 2

Tabelle 2 Grundlagen fuumlr die Kostenberechnung

Parameter Einheit WertBemerkung

Abschreibungen Jahre Anlage 10 Gebaumlude u Lager 20

Zinsen 4 Strompreis Anlagenbetrieb RpkWh 20 Stromeinspeisetarif RpkWh 20 Nutzwaumlrmepreis RpkWh 5 Restwaumlrmepreis (nicht genutzt) RpkWh nicht berechnet Lagerdauer im Endlager Monate 6 Transport durch Dritte Tarife nach ASTAG

4-Achs-LKW 12 m3 Fass

Ausbringung durch Dritte 4-Rad-Traktor Schleppschlauchverteiler

8000 l Fass alle Tarife nach FAT

Gaumlrrestverwertung auf Eigenflaumlche 5000 t Anlage 50 15000 t Anlage 0

ASTAG = Schweizerischer Nutzfahrzeugverband FAT = Eidg Forschungsanstalt Taumlnikon

SchweineguumllleBetrieb A B A BTS 24 486 19 39OS in TS 668 676 615 630Asche in TS 332 324 385 370pH 76 733 78 75Leitfaumlhigkeit mScm 187 217 193 230CSB gl 250 631 184 422NH4-N gm3 1892 2411 1751 2331Ntot gm3 3140 4116 2842 4001P2O5 gm3 1023 1670 777 1538K2O gm3 2135 3998 2030 3975MgO gm3 521 728 454 628CaO gm3 1105 2102 1011 1755Na gm3 794 826 797 831

Rohguumllle Duumlnnguumllle

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Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

afilt

ratio

nU

ltraf

iltra

tion

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

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Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

1348

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

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degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

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Versuchstage

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

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50

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Versuchstage

Gas

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) pH

NH

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

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esko

sten

Ein

nahm

en (F

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

3748

Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

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OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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0ta

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 12: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Labor

Im Labor sind verschiedene Guumlllefraktionen in Batchversuchen vergoren worden Vergaumlrungsversu-che mit Duumlnnguumllle wurden flankierend zur Versuchsanlage mit einem Labor-MBR durchgefuumlhrt (vgl Abb2)

Abbildung 2 Schema des Labor-MBR

Der Labor-MBR besteht aus einem 1 l Reaktor Die Heizung des Fermenters erfolgt mittels Doppel-mantel und Thermostat geregelt Die Temperatur lag in allen Versuchen bei 37degC Die UF mit kerami-schen Membranen wurde taktweise betrieben Dabei ist in Abhaumlngigkeit der Tagesmenge an UF-Permeat ein- bis zweimal pro Tag filtriert worden

Im kontinuierlichen Betrieb wurde das Substrat uumlber eine Schlauchpumpe in den Reaktor gefoumlrdert Die Entnahme an Schlamm erfolgte mit derselben Pumpe

Das Biogas ist in einem Speicher der nach dem Volumenverdraumlngerprinzip funktioniert aufgefangen und quantifiziert

Die Batchansaumltze sind in Flaschen mit 065 l Inhalt und in einem Wasserbad bei 37degC bis zum Ende der Gasproduktion durchgefuumlhrt worden Die Homogenisierung wurde mehrmals taumlglich von Hand durchgefuumlhrt

Tabelle 3 Gehalte der verwendeten Substrate in den Laborversuchen

Die beiden Schweineroh- bzw Duumlnnguumlllen stammen vom Betrieb A Bei den Feststoffen ist der Durchschnittsgehalt mehrerer Proben dargestellt Das Cosubstrat besteht vor allem aus Futtersuppe unter Zugabe von Oel Das Gemisch wurde in einem Mixer solange geruumlhrt bis keine Phasentren-nung mehr zu verzeichnen war

Ultr

afilt

ratio

n

R uumlckfuumlhrung

UF

-Ret

enta

t

B iogas

DuumlnnguumlllebzwCosubstrat

F ermentermit Doppelmantelund R uumlhrwerk

P umpefuumlr Ultrafiltration

P umpe fuumlr Beschickungund S chlammentnahme

Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Ultr

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Gasspeicher

UF -P ermeat

S chlamm

Feststoffe CosubstratParameter Einheit Charge 1 Charge 2 Charge 1 Charge 2 DurchschnittTS 26 199 16 19 148 328OS in TS 673 641 538 633 858 935Asche in TS 327 359 462 367 142 65pH 74 778 75 78 81 42Leitfaumlhigkeit mScm 207 162 217 173 70 58CSB gl 276 261 164 180 - -NH4-N gm3 2282 1271 2213 1119 811 178Ntot gm3 3046 3336 2833 2917 2042 3759P2O5 gm3 1052 1079 522 1052 1805 6236K2O gm3 2451 1962 2443 1980 988 1796MgO gm3 353 846 131 778 413 2053CaO gm3 901 1574 592 1522 2362 1180Na gm3 835 775 846 817 274 1978

Schweinerohguumllle Schweineduumlnnguumllle

1148

Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

1248

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

1348

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

10

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50

60

70

80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

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9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

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keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

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164

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170

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Versuchstage

Gas

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Tem

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TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

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800

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1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

1748

Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

1948

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

2148

Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

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t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

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[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 13: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Resultate Vergaumlrungsversuche mit Schweineguumllle

Einfluss der Separierung

Fuumlr den Betrieb eines MBR mit direkt nachgeschalteter UF ist eine Vorbehandlung feststoffreicher Rohsubstrate notwendig Im Fall der Guumllle erfolgte dies mit einer Filtration Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3 Vergleich der Gehalte in Roh- und Duumlnnguumllle

Fuumlr die Untersuchungen diente ein einfaches Uumlberstroumlmfiltrationsgeraumlt Der Zweck dieser Stufe be-steht darin alle Grobstoffe aus der Rohguumllle zu entfernen damit die UF funktionssicher betrieben werden kann

02468

10121416182022242628303234363840424446485052545658606264

TS OS Asche pH CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Rohguumllle A Rohguumllle B Duumlnnguumllle A Duumlnnguumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

1348

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

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50

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80

90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

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degC)

0

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4

5

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9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

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(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

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15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

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TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

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10

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Versuchstage

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

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700

800

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1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

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sten

Ein

nahm

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

3748

Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 14: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Abbildung 4 Gehalte vom Fermenterinhalt und vom UF-Permeat

Bei der UF wird das Rohsubstrat in zwei Fluumlssigkeitsstroumlme aufgeteilt Der konzentrierte Teilstrom wird mit Retentat und der weniger konzentrierte Strom mit Permeat bezeichnet In Abbildung 4 sind die Gehalte vom Fermenterinhalt (UF-Retentat) und vom UF-Permeat aufgezeichnet

Im UF-Permeat sind praktisch nur noch mineralische Stoffe (va Salze) enthalten Fuumlr die Vergaumlrung spielt die Abtrennung und Ruumlckfuumlhrung von OS eine Rolle Mit der UF wird eine knapp 90 ige Ab-trennung erreicht

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Waumlhrend der Versuche mit Guumllle A zeigte sich dass bis zum 76 Versuchstag bei einer Schlammauf-enthaltsdauer von 30 Tagen ein Anstieg des TS-Gehalts im Fermenter von 35 auf rund 5 bzw um 40 zu verzeichnen ist Trotz gleichzeitig zunehmender Belastung des Fermenters mit einer HRT von 9 Tagen zu Beginn auf 26 Tage gegen Versuchsende stiegen der TS- und OS-Gehalt nicht weiter an Auch mit ansteigender Menge an zugefuumlhrtem Ammonium nahm der Ammoniumgehalt im Fer-menter sukzessive ab Dies duumlrfte einerseits auf den geringeren Ammoniumgehalt in der Duumlnnguumllle von durchschnittlich 1rsquo700 mgl (ab 98 Tag) gegenuumlber durchschnittlich 2100 mgl zuruumlckzufuumlhren sein als auch auf die Funktionsweise der UF Mit ansteigender Konzentration an Ammonium und anderen Salzen treten diese vermehrt durch die Membran hindurch Es kommt somit zu keiner erheb-lichen Zunahme des Salzgehalts Die UF koumlnnte zu einer Entsalzung des Fermenterinhalts beitragen

Ab dem 143 Versuchstag wurde mit der Guumllle B der Fermenter neu angefahren Bis zum 444 Tag konnte kein markanter Anstieg der TS- bzw OS-Gehalte festgestellt werden Im Vergleich zur Guumllle A weist die Guumllle B houmlhere Ammoniumgehalte von 2100 mgl gegenuumlber 1900 mgl auf Inwieweit die regelmaumlssige Entnahme von Fermenterinhalt zu einer Beeinflussung der Fermentergehalte beitraumlgt konnte nicht eruiert werden und haumltte den Umfang dieser Untersuchung gesprengt

02468

101214161820222426283032343638

TS OS Asche CSB NH4-N Ntot P2O5 K2O MgO CaO Na

Geh

alte

pro

Ton

ne (k

gt)

Fermenterinhalt UF-Permeat

1348

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

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50

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90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

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degC)

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9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

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l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

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(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

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TS u

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pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

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10

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Versuchstage

Gas

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NH

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l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

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900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

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esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

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r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

2248

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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Lagertank1800msup3

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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0ta

3848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

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7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

3948

Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

4148

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

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Mrz

07

Apr

07

Mai

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Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

4548

Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

4648

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 15: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 5 Gehalte des Fermenters waumlhrend einer Versuchsdauer von 444 Tagen

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Abbildung 6 Verlauf der Gaumlrversuche mit Guumllle A

In Abbildung 6 ist der zeitliche Verlauf der Versuche waumlhrend zunehmender Belastung des Fermen-ters von 18 bis auf 45 kg OSm3 d aufgezeigt Um die houmlheren Belastungen fahren zu koumlnnen musste der Fermenterinhalt am 101 Tag von 1680 l auf 990 l reduziert werden Nach einer Adapti-onsphase von rund 3 Wochen erholte sich der Prozess

Die Leistungswerte bei houmlheren Belastungen konnten aber nicht verifiziert werden weil am 130 Ver-suchstag die Gasproduktion von etwa 30 lh innerhalb von drei Tagen auf 0 lh abnahm Die Ursache koumlnnte Einsatz von Desinfektions- und Reinigungsmitteln als auch in der Verwendung von Antibiotika

0

10

20

30

40

50

60

70

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90

Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

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8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0

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Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

ProzesshemmungReaktorinhalt 1680 l Reaktorinhalt 990 l

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

4-N

(gl)

024681012141618202224262830

TS u

GR

()

Leitf

aumlhig

keit

(mS

cm)

pH

TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000

15 48 76 98 125 134 139 174 196 444

Versuchstag

NH

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TS Fermenter Gluumlhruumlckstand (GR) Fermenter Leitfaumlhigkeit NH4-N Fermenter pH

Guumllle A Guumllle B

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liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

60

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90

164

166

168

170

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174

176

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180

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Versuchstage

Gas

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Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

1548

Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

1648

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

1748

Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

2348

Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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Lagertank1800msup3

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

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7

Augus

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7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 16: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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liegen Zur Klaumlrung dieser Frage waumlren weitergehende und umfangreiche Untersuchungen im Labor notwendig gewesen was nicht Gegenstand dieses Projekts war

Da die Unsicherheit bestand dass mit der Guumllle A weiterhin hemmend wirkende Substanzen in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrt werden wurden die weiteren Versuche mit der Guumllle B unternommen

Die Versuche sind mit zwei verschiedenen HRT von 95 und 59 Tagen erfolgt (Abb 7) Nach einer Dauer von etwa 40 Tagen mussten die Versuche eingestellt werden da die winterlichen Temperatu-ren einen weiteren Betrieb der Peripherie des Fermenters verhinderten Vor allem die Beschickungs-leitungen froren trotz Isolation und Heizkabel dauernd ein

Abbildung 7 Verlauf der Versuche mit Guumllle B

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

164

166

168

170

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180

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190

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Versuchstage

Gas

men

ge (l

h)

Tem

pera

tur (

degC)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TS-G

ehal

t (

) pH

NH

4 (g

l)

Gasmenge Fermentertemperatur TS-Gehalt im Feed pH NH4-Gehalt im Fermenter

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

1848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

1948

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

2048

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

2148

Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

2848

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 17: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 4 zeigt die gewonnenen Resultate fuumlr die Guumllle A und B Bei der Vergaumlrung der Guumllle A konn-ten sowohl bei einer HRT von 40 als auch von 26 keine Steady-state-Bedingungen erreicht werden Dasselbe gilt fuumlr den Versuch mit einer HRT von 59 bei der Guumllle B

Tabelle 4 Uumlbersicht uumlber die Gaumlrversuche mit der Versuchsanlage

Guumllle Schweineguumllle A Schweineguumllle B HRT 90 60 40 26 95 59SRT 30 30 30 30 30 30lkg FS 40 27 16 25 107 49lkg OS 268 242 208 209 536 303kg OSm3d 17 18 23 45 21 26Temp (degC) 40 40 40 39 395 385pH 80 79 79 79 80 80CH4 () 50 52 49 50 53 58 keine steady-state-Bedingungen

Vergaumlrungsversuche im Labor

Abbildung 8 Gasertrag verschiedener Substrate im Batchansatz

Abbildung 8 zeigt die Gasertraumlge verschiedener Guumlllefraktionen und vom Cosubstrat Das Cosubstrat das hauptsaumlchlich aus fein zerkleinerter Futtersuppe besteht weist mit mehr als 960 lkg OS den houmlchsten Gasertrag auf gefolgt von den beiden Duumlnnguumlllefraktionen mit 630 bzw 730 lkg OS Am wenigsten Gas entwickeln die Rohguumllle mit 130 (Charge 1) bzw 240 lkg OS (Charge 2) und die Fest-stoffe mit 140 (A) resp 120 lkg OS (B)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

RohguumllleCharge 1

RohguumllleCharge 2

DuumlnnguumllleCharge 1

DuumlnnguumllleCharge 2

Feststoff Cosubstrat

Gas

ertr

ag (m

lg O

S)

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Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Projekt MBR ARGE MBR

Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 18: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Tabelle 5 Gaumlrversuche mit dem MBR im Labor

RB = Raumbelastung

In Tabelle 5 sind die Versuche mit dem Labor-MBR zusammenfassend dargestellt Es wurden 5 Ver-suchsphasen (I ndash V) mit Guumllle und 3 Phasen (VI ndash VIII) mit Guumllle und Cosubstrat gefahren

Aufgrund der rapiden Abnahme der Gasproduktion in der Phase II mit 37 mlg OS im Vergleich zur Phase I mit 93 mlg OS wurde der Reaktorinhalt zu 80 durch frische Duumlnnguumllle (Charge 2) ersetzt Mit dem neuen Fermenterinhalt wurde annaumlhernd gleiche Werte erreicht Bis Ende der Phase III ist kein Schlamm aus dem Fermenter entnommen worden Ab Phase IV ist bis zum Ende der Versuche Schlamm entnommen worden Das Schlammalter lag bei rund 30 Tagen

Mit steigender Raumbelastung in Phase III mit 17 g OSl d bis 60 in Phase V sank der Gasertrag von 85 auf 32 mlg OS

Waumlhrend der gesamten Versuchsdauer blieb der pH-Wert zwischen 80 und 81 konstant Die Ammo-niumkonzentration stieg von etwa 3rsquo300 mg auf 4rsquo100 mgl in Phase III an Anschliessend blieb die Konzentration nahezu gleichbleibend

Mit Cosubstrat ist der Reaktor ab Phase VI betrieben worden Dabei wurde bei einer taumlglichen Guumllle-zufuhr von 100 ml die Cosubstratzugabe von 5 auf 7 g gesteigert In der Phase VII wurde die Zugabe weiter auf 105 g gesteigert

In der Phase VIII schliesslich brach der Gasertrag auf 300 mlg OS aufgrund Uumlberlastung des Prozes-ses ein Gleichzeitig sank der pH von 82 auf 74 Aus zeitlichen Gruumlnden konnten keine weiteren Ver-suche durchgefuumlhrt werden

Kostenkalkulationen

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte jeweils ein Kostenvergleich zwischen einer konventionellen Biogasanlage mit Covergaumlrung und einer MBR-Anlage mit Covergaumlrung berechnet werden Die MBR-Anlage beinhaltet eine Weiterbehandlung des UF-Retentats mittels RO Der Betrieb mit 5000 Jahres-tonnen kann nur seine eigenen Naumlhrstoffe aus der Guumllle verwerten was einem Mengenanteil von 50 entspricht Die zugefuumlhrten Naumlhrstoffe in Form der Cosubstrate hingegen muumlssen zu Bedarfsflauml-chen transportiert werden Bei den Cosubstraten handelt es sich uumlberwiegend um Gemuumlseabfaumllle

Der zweite Betrieb behandelt insgesamt 15000 Jahrestonnen wobei die Guumlllemenge 8500 t und die Cosubstrate 6500 t umfassen Die Cosubstrate stammen vor allem aus der Lebensmittelverarbeitung Die gesamte Menge muss durch Dritte transportiert und ausgebracht werden

Die anlagenspezifische Daten verdeutlicht Tabelle 6 In den Kostenkalkulationen wurde bei der kon-ventionellen Biogasanlage und beim MBR von einer gleich hohen jaumlhrlichen Gasmenge ausgegangen

Tabelle 6 Anlagedaten

Anlagentyp konventionell MBR Guumllle (tJahr) Cosubstrat (tJahr)

25002500

85006500

25002500

8500 6500

Jahresmenge (tJahr) 5000 15000 5000 15000 BHKW (kWel) 100 500 100 500 Fermenter (m3) 500 1400 150 500 HRT (d) 30 30 10 10 Endlager (m3) 2500 7500 900 2700 Investitionsbedarf gesamt (Fr) 1rsquo070000- 3rsquo500000- 1200000- 4250000-

Phase Duumlnnguumllle HRT SRT RB Gasertrag pH NH4 BemerkungDuumlnnguumllle mld Cosubstrat gd d d g OSl d mlg OS mgl

I Charge 1 653 - 153 - 06 93 81 3328 ohne SchlammentnahmeII Charge 1 105 - 95 - 09 37 80 3742 ohne SchlammentnahmeIII Charge 2 1108 - 90 - 13 85 80 4081 neuer AnsatzIV Charge 2 105 - 95 276 13 67 80 4069 mit SchlammentnahmeV Charge 2 3913 - 26 267 47 32 80 4083 mit SchlammentnahmeVI Charge 2 667 41 141 325 20 150 79 4050 AnfahrphaseVII Charge 2 70 61 131 295 27 530 80 4090VIII Charge 2 1173 88 79 338 41 219 77 4131 Uumlberlastung

Zugabe

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Projekt MBR ARGE MBR

Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Projekt MBR ARGE MBR

Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

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t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

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700t

aW

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

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1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

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7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

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07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

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Page 19: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Die Betriebskosten zusammen mit den Verwertungskosten sind bei der 5000 t Anlage praktisch gleich Fr 200000- pro Jahr bei der konventionellen Anlage im Vergleich zu Fr 210000- beim MBR Bei den Einnahmen sind die Erloumlse aus der Stromverguumltung (Rp 20kWh) abzuumlglich dem Bedarf des Anlagenbetriebs und der Prozesswaumlrmebedarf (Rp 5kWh) der Anlage berechnet Die restliche Waumlr-me wurde nicht bewertet Fuumlr die Gebuumlhren auf den Cosubstraten ist mit Fr 80- pro Tonne gerechnet worden

Die Jahreskosten bei der 15000 t Anlage betragen Fr 850000- bei der konventionellen Vergaumlrung gegenuumlber Fr 800000- beim MBR Nach Abzug der Erloumlse kommt der MBR mit Fr 20000- pro Jahr teurer zu stehen

Aus der Abbildung 9 wird deutlich dass die Verwertungskosten Transport und Ausbringung eine bedeutende Rolle spielen Eine geringfuumlgig houmlhere Gasmenge rund 10 bis 15 wuumlrde dazu fuumlhren dass das MBR-Verfahren finanziell die interessantere Moumlglichkeit darstellt als konventionelle Biogas-anlagen

Abbildung 9 Betriebskosten Verwertungskosten und Erloumlse einer konventionellen Co-Vergaumlrungsanlage im Vergleich zum MBR mit RO

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

sten

Ein

nahm

en (F

r)

Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

5000 ta 15000 ta

konv AnlageMBR

0100000200000

300000400000500000600000700000800000

9000001000000110000012000001300000

140000015000001600000

Jahr

esko

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Betriebskosten Verwertungskosten Einnahmen (Strom amp Nutzwaumlrme) Gebuumlhren (Fr 80t)

MBRkonv Anlage

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

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[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 20: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Implementierungskonzepte

Das Konzept der Versuchsanlage ist fuumlr die Vergaumlrung fluumlssiger mit wenig Grobstoffen belasteten Substraten ausgelegt Der verfahrenstechnisch limitierende Faktor ist die direkt mit dem Fermenter geschaltete UF Gewisse Cosubstrate bedingen hingegen eine andere verfahrenstechnische Be-triebsweise der Anlage

Zur Umsetzung des MBR-Verfahrens sollen die drei untenstehenden Grobkonzepte dienen Basis aller Varianten bildet aus wirtschaftlicher Sicht die Covergaumlrung mit Guumllle und die Nachbehandlung mit Separierung UF und RO

Abbildung 10 Direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 1 Beispiel PampD-Anlage)

Die erste Variante (Abb 10) beinhaltet die Vergaumlrung der Rohguumllle zusammen mit den Cosubstraten Die Nachbehandlung besteht in der Separierung und Membrantrennung Die Biomasseruumlckfuumlhrung erfolgt mit der UF Je nach eingesetzter Separiertechnik ist eine (Teil-)Ruumlckfuumlhrung der Feststoffe sinnvoll Diese Variante kann mit konventionellen Ruumlhrkesselanlagen als Fermenter betrieben werden Eine Vorbehandlung der Cosubstrate in Form einer Zerkleinerung ist je nach Produkt erforderlich Dieses Konzept wird in der PampD-Anlage umgesetzt

Abbildung 11 Vergaumlrung von Duumlnnguumllle und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Vari-ante 2 Beispiel Versuchsanlage)

Variante 2 (Abb 11) unterscheidet sich von der Variante 1 durch vor der Vergaumlrung erfolgte Separie-rung der Rohguumllle und Vergaumlrung der Duumlnnguumllle Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrsubstrat mit der Separierung und der Membrantrennung weiterbehandelt Zur Separierung wird nur ein Geraumlt benoumltigt In der Abbildung sind aus Gruumlnden der Uumlbersichtlichkeit zwei Separierstufen eingezeichnet Diese Prozessfuumlhrung entspricht derjenigen die bei der Versuchsanlage durchgefuumlhrt wurde

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

SeparierungVergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Biogas Feststoffe UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle

Wasser

Cosubstrate

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

Feststoffe

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

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Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

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[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

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Page 21: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 12 Vergaumlrung von UF-Retentat und Cosubstrat mit anschliessender Nachbehandlung (Variante 3)

Bei der Variante 3 (Abb 12) wird die Rohguumllle nach der Separierung mit der UF konzentriert und das UF-Retentat mit den Cosubstraten vergoren Diese Moumlglichkeit bietet in uumlberbetrieblich genutzten Anlagen Vorteile weil je nach Gegebenheiten nur das UF-Retentat zur Biogasanlage gebracht werden muss

Diskussion Einfluss der Separierung auf die Gasproduktion

Die Gasertraumlge bei den Guumllleproben im Batchansatz (Labor) mit 130 (Charge I) und 240 mlg OS (Charge II) fuumlr Rohguumllle bzw 630 und 730 mlg OS fuumlr Duumlnnguumllle deuten darauf hin dass durch die Separierung vor allem schwer bzw nicht anaerob abbaubare Stoffe abgetrennt werden

Umgerechnet pro Tonne Frischsubstanz erzielt separierte Duumlnnguumllle 54 und 88 m3 Biogas im Ver-gleich zu 23 und 31 m3 bei der Rohguumllle In der Literatur sind die Gasausbeuten fuumlr Schweineguumllle zwischen 7 und 37 m3t [10] houmlher angegeben Eine Erklaumlrung koumlnnte sein dass mit der Separierung hemmend wirkende Stoffe eliminiert werden

In einer fruumlheren Untersuchung [11] wurde mit Mischguumllle (50 -Anteil Schweine- bzw Rinderguumllle) Vergaumlrungsversuche unternommen Vergleicht man den Gasertrag von separierter Guumllle und Rohguumllle (Tab 7) so erhaumllt man fuumlr Rohguumllle im Batchansatz nur 6 mehr Gas bezogen auf den Gasertrag pro Liter Guumllle Bezogen auf die Trockensubstanz erhaumllt man fuumlr Rohguumllle sogar 13 weniger Gas dh die durch die Separation hauptsaumlchlich entfernten Fest- und Faserstoffe sind fuumlr den anaeroben Abbau nur schwer zugaumlnglich

Tabelle 7 Gasertrag aus Rohguumllle im Vergleich zu Duumlnnguumllle und Feststoffen [11]

Substrat l Gasl Guumllle l Gaskg TS Rohguumllle 72 270 Duumlnnguumllle 68 310 Feststoff 003 l Gasg Feuchtgewicht

Die Vergaumlrung von Duumlnnguumllle fuumlhrt im Vergleich zur Vergaumlrung von Rohguumllle zu keinen markanten Gasertragseinbussen Weil die Duumlnnguumllle frei von Grobstoffen ist kann ein problemloser Betrieb eines Fermenters gewaumlhrleistet werden

Separierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

UltrafiltrationSeparierung Vergaumlrung Ultrafiltration Umkehrosmose

Feststoffe Biogas UF-Retentat RO-Retentat

Rohguumllle Wasser

Cosubstrate

Separierung

FeststoffeUF-Retentat

Ultrafiltration

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 22: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Stoffabtrennung der Ultrafiltration

Die UF dient im wesentlichen zur Abtrennung organischer Stoffe Salze wie Ammonium- oder Kalisal-ze hingegen permeieren durch die Membran Das Permeat ist frei von Partikeln und kann mit nach-folgenden Verfahrensprozessen wie zum Beispiel der RO weiterbehandelt werden Bei der Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstraten stellt die Hygiene oftmals eine wichtige Fragestellung dar In den Versu-chen konnten keine diesbezuumlglichen Untersuchungen durchgefuumlhrt werden Die in den Versuchen (Labor und Versuchsanlage) verwendeten Membranen mit Trenngrenzen unter 80 kDa (Kilodalton) lassen hingegen einen hygienisch einwandfreien Ablauf erwarten In [12] wird berichtet dass bei der Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie mit dem MBR-System eine vollstaumlndige Elimination von pathogenen Keimen garantiert werden kann Sowohl Coliforme Streptokokken als auch Salmo-nellen werden im Ablauf der UF nicht mehr nachgewiesen

Einfluss der Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats auf die Gehalte im Fermenter

Ein Hauptkriterium des MBR ist die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter In der Praxis betraumlgt bei konventionellen Biogasanlagen die hydraulische Verweilzeit etwa 30 Tage und mehr Aus den Versuchen sowohl im Labor als auch mit der Versuchsanlage konnte bei gleichem Schlammalter von 30 Tagen kein markanter Anstieg der TS- wie auch der Salzkonzentration im Reaktor festgestellt wer-den Dies unter der Voraussetzung dass regelmaumlssig Schlamm aus dem System entnommen wird

Im Labor wurde waumlhrend 100 Tagen der MBR ohne Schlammentnahme betrieben Die Ammonium-konzentration stieg von 3rsquo300 (Phase I) auf 4rsquo100 mgl (Phase III) an Da die UF in den Laborversu-chen taktweise in Betrieb stand konnten sich Salze vermutlich eher anreichern als bei einer UF die dauernd im Betrieb steht Im Dauerbetrieb treten beispielsweise mit zunehmendem Ammoniumgehalt im Frischsubstrat vermehrt Salze durch die Membran Dies bedeutet dass der Gehalt im Reaktor nur wenig ansteigt

Die UF trennt organische von anorganischen Substanzen (vgl Abb 4) und reduziert den CSB sowie den Gehalt an Phosphor um jeweils mehr als 92 Sogar noch houmlhere Abtrennleistungen wiesen [13] in Versuchen bei der Vergaumlrung von synthetischem Abwasser nach Die Phosphorabtrennung mittels UF koumlnnte im Rahmen von Massnahmen zur Reduktion des Stoffeintrags in Gewaumlsser einen zusaumltzli-chen Bonus fuumlr landwirtschaftliche Biogasanlagen sein

Die Ruumlckfuumlhrung des Retentats aus der Ultrafiltration wurde am Beispiel der papierverarbeitenden Industrie untersucht [14] Das Retentat ist in Batchversuchen weiter vergoren wobei 65 des CSB in 12 Tagen abgebaut werden konnten Der am Ende des Tests verbleibende persistente CSB bildet schwer bis nicht abbaubare Substanzen bei deren Ruumlckfuumlhrung in den Reaktor mit einer Anreiche-rung dieser Stoffe gerechnet werden muss

Die Beeinflussung der biologischen Aktivitaumlt bzw die Anreicherung allfaumlllig hemmendwirkender Stoffe durch eine Ruumlckfuumlhrung des UF-Retentats bei der Vergaumlrung von Schweineguumllle bzw von Cosubstrat wurde bisher in der Literatur nicht eroumlrtert Um einer moumlglicherweise negativen Auswirkung entgegen-zuwirken sollte ein Teil des Fermenterinhalts regelmaumlssig entnommen werden Beispielweise betrug das Schlammalter in den Versuchen von [15] 20 Tage

Die nicht in den Fermenter zuruumlckgefuumlhrte UF-Retentatmenge muss als P-reicher N- und K-haltiger Fluumlssigduumlnger verwendet werden In konzentrierter Form anfallend kann das UF-Retentat in Gebiete mit entsprechendem Duumlngerbedarf transportiert und verwertet werden

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

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Lagertank1800msup3

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

4148

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

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[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 23: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Gaumlrversuche im halbtechnischen Massstab (Versuchsanlage)

Waumlhrend rund 130 Tagen wurden mit der Guumllle A und rund 60 Tagen mit der Guumllle B Versuche durch-gefuumlhrt

Die Schweineguumllle des Betriebs A zeigte nach etwa 90 Tagen Versuchsdauer einen ploumltzlichen Ein-bruch der Gasproduktion Die taumlgliche Produktion fiel von rund 700 l innerhalb von 48 Stunden auf Null Trotz sofortiger Einstellung der Beschickung und Verduumlnnen des Fermenterinhalts mit Frischsub-strat aus einer anderen Guumlllegrube konnte der Prozess nicht wieder in Gang gesetzt werden Die Vermutung liegt nahe dass der Prozess durch den Eintrag von hemmend wirkenden Stoffen beein-flusst wurde Kurz bevor die Stoumlrung auftrat wurde frische Rohguumllle aus dem Zuchtstall in das Endla-ger gepumpt Gleichzeitig wurde die Vorlage zum Fermenter mit separierter Duumlnnguumllle beschickt [16] listet einige hemmend wirkende Stoffe wie Antibiotika Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel auf Vor allem Desinfektionsmittel koumlnnen auch in geringen Konzentrationen den Vergaumlrungsprozess stark beeinflussen

Aus zeitlichen Gruumlnden konnten mit der Guumllle B vor Einbruch des Winters nur eine Versuchsreihe mit einer Belastung von 95 kg OSm3d unter steady-state Bedingungen gefahren werden

In den Versuchen lag die Temperatur im Fermenter bei durchschnittlich 40degC Der Schwankungsbe-reich betrug 3 bis 4degC ohne Kuumlhlung und etwa 2 bis 3degC mit Kuumlhlung Da die Versuchsanlage im Frei-en in Betrieb stand und der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzt war konnte die Temperatur trotz nachtraumlglicher Installation einer Kuumlhlung nicht immer konstant gehalten werden [16] berichtet dass bei mesophiler Betriebsweise taumlgliche Temperaturschwankungen von 2 bis 3degC um einen Mittelwert verkraftet werden Bei thermophil betriebenen Anlagen hingegen sollte eine Abweichung von 1degC nicht uumlberschritten werden

Die Frage der Beeintraumlchtigung der biologischen Aktivitaumlt durch den Betrieb von Pumpen sowie Druckwechsel an der Mebran wird in der Literatur kontrovers diskutiert [17] fand bei der Ultrafiltration in Kombination mit einem Methanisierungsreaktor (2-stufiges Verfahren) dass die Scherkraumlfte der UF-Pumpe als auch Druckwechsel in der UF keine nennenswerten Auswirkungen auf die Aktivitaumlt der Mikroorganismen bzw auf die Biogasproduktion hat Hingegen berichten [18] von teilweise hohen Aktivitaumltsverlusten von bis zu 90 Der sensibelste Schritt stelle die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien dar Als Loumlsung wird ein schonender Transport des Schlamms vorge-schlagen In unseren Versuchen wurde eine UF-Pumpe mit offenem Laufrad und UF-Membranen mit grossen Kanaldurchmessern verwendet was einen schonenden Transport gewaumlhrleistet

Aus den Versuchen mit dem MBR ist ersichtlich dass die Belastung des Fermentervolumens mit or-ganischer Substanz ein wichtiger Parameter fuumlr die Prozesssteuerung ist Dies unterscheidet den MBR nicht von anderen anaeroben Verfahren Allgemein nimmt die spezifische Gasausbeute (lkg OS) mit steigender Raumbelastung ab Schweineguumllle kann bei einer Verweilzeit von mehr als 40 Tagen Gasausbeuten von uumlber 550 lkg OS erzielen waumlhrend bei einer Aufenthaltsdauer von 15 Ta-gen noch 300 lkg OS erreicht werden [16] Bei weiterer Verkuumlrzung der Verweildauer auf unter 10 Tage sinkt die Gasausbeute bis auf Werte unter 200 lkg OS ab [19]

In [19] ist ein Gaumlrverfahren mit Schlammruumlckfuumlhrung erwaumlhnt das eine Gasausbeute von 560 lkg OS aufweist

In [11] wurden Versuche mit Mischguumllle (50 Rinder- und 50 Schweineguumllle) an einem Festbettre-aktor und einem MBR im Labor durchgefuumlhrt Der Festbettreaktor produierte 51 ll Duumlnnguumllle im Ver-gleich zum MBR mit 48 l Beide Reaktoren wurden bei einer Verweilzeit 42 Tagen betrieben

Tabelle 8 vergleicht die Gasausbeute und Gasproduktion der Rohguumllle mit denjenigen der Duumlnnguumllle im MBR Fuumlr die Rohguumllle A wurden Gasausbeuten gemaumlss Laboruntersuchungen verwendet Fuumlr die Guumllle B sind Daten aus der Literatur 400 lkg OS nach [20] und 450 lkg OS nach [21] entnommen worden Die Gasproduktion pro t FS wurden entsprechend den analysierten Gehalten der Guumllle A bzw B berechnet

Tabelle 8 Vergleich der Gasproduktion von Rohguumllle und Duumlnnguumllle im MBR

FS = Frischsubstanz

SchweineguumllleBetrieb A B A BGasausbeute lkg OS 130 - 240 400 - 450 268 536Gasproduktion lt FS 2080 - 3850 13140 - 14780 3080 13170Gasproduktion in der Rohg 100 100 80 - 150 90 - 100

Rohguumllle berechnet Duumlnnguumllle im MBR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

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Page 24: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Da mit der Guumllle A sowohl im Labor als auch im halbtechnischen Massstab aufgrund einer wahr-scheinlichen Prozesshemmung die Daten nur bedingt fuumlr eine Bewertung herangezogen werden koumln-nen sollen die Werte der Guumllle B im Vordergrund stehen Der Vergleich zeigt dass mit dem MBR houmlhere Gasausbeuten und vergleichbare Gasmengen pro t FS erzielt werden wie mit konventionellen Gaumlrreaktoren

Kostenkalkulationen

Bei den Kostenberechnungen sind unter Beruumlcksichtigung des Verwertungsaufwands die Jahreskos-ten auch fuumlr eine geringe Verarbeitungsmenge von 5rsquo000 t beim MBR im Vergleich zu einer konventi-onellen Biogasanlage unbedeutend houmlher Fr 210rsquo000- gegenuumlber Fr 200000- Dies ist allerdings nur dann der Fall wenn beim MBR der Ablauf mit einer RO-Stufe weiterbehandelt und Brauchwasser produziert wird

Die Verwertung des Gaumlrsubstrats ist ohne weitere Aufbereitung ein Kostenfaktor der nicht unberuumlck-sichtigt bleiben darf Bei groumlsseren Verarbeitungsmengen von mehr als 15000 tJahr kann die Weiterbehandlung des Gaumlrsubstrats mit der Membrantrenntechnik sogar zu Kosteneinsparungen fuumlh-ren

Um allfaumlllige Mehrkosten des MBR-Verfahrens egalisieren zu koumlnnen muumlssten in der Groumlssenord-nung von 10 mehr Biogas pro Jahr produziert werden koumlnnen Aufgrund der aktuellen unsicheren Datenlage liegt diese Steigerung im Bereich des Machbaren

Weitere Vorteile des MBR-Verfahrens wie beispielsweise der hygienisch einwandfreie Ablauf (UF-Permeat) die Moumlglichkeit Mineralduumlnger zu substituieren oder der breitere Anwendungsbereich des mittels RO konzentrierten NK-Fluumlssigduumlngers wurden in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht be-ruumlcksichtigt

Implementierungskonzepte

Das MBR-Verfahren ist primaumlr fuumlr feststofffreie Fluumlssigkeiten ausgelegt Es eignet sich nach den bis-herigen Erkenntnissen neben der industriellen Abwasserreinigung vor allem fuumlr die Behandlung von wasserverduumlnnter Rohguumllle

Substrate mit Anteilen an Grobstoffen muumlssen entsprechend vorbehandelt werden Dies schraumlnkt den Betrieb in der Praxis ein Wie die aufgezeigten Varianten zur Umsetzung verdeutlichen weist die Kombination der Membrantrenntechnik mit der Vergaumlrung trotz allem ein breitgefaumlchertes Potential auf Die Ruumlckfuumlhrung der Biomasse in den Fermenter kann auf verschiedene Weise erfolgen

An der PampD-Anlage wird die Variante 1 dh die direkte Vergaumlrung von Guumllle und Cosubstrat mit an-schliessender Nachbehandlung gepruumlft Zu dieser Variante sind somit weitere Daten zu erwarten

Eine interessante Variante stellt die Vergaumlrung des UF-Retentats aus der Guumlllebehandlung dar (Vari-ante 3) Hiermit ist eine massive Reduzierung des Fermentervolumens von mehr als 80 zu erhoffen Inwiefern noch zusaumltzlich eine Verkuumlrzung der Verweilzeit moumlglich ist muumlsste in weiterfuumlhrenden Un-tersuchungen geklaumlrt werden

Bewertung Die zeitlichen Verzoumlgerungen im Projekt als auch die fuumlr die Gaumlrversuche schlecht geeignete Guumllle (Guumllle A) gestatten keine abschliessende Beurteilung des MBR-Verfahrens Grundsaumltzlich laumlsst sich aber festhalten dass das MBR-Verfahren aus biologischer Sicht gleich zu beurteilen ist wie ein kon-ventioneller Gaumlrfermenter Dies bedeutet beispielsweise dass bei hohen Raumbelastungen auch die Biomasse empfindlicher reagiert und entsprechend sind laumlngere Adaptionszeiten erforderlich

Die bisherigen Erkenntnisse und gewonnenen Resultate an der MBR-Versuchsanlage werden in der untenstehenden Tabelle 9 erwaumlhnt Grundsaumltzlich konnten verfahrens- und prozesstechnische Frage-stellungen geklaumlrt werden Die Leistungsfaumlhigkeit sowie die Betriebsgrenzen dieser Technologie er-fordern hingegen weiterfuumlhrende Forschungsarbeiten

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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Projekt MBR ARGE MBR

ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

3748

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

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t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

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Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

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Page 25: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Tabelle 9 Vergleich der Zielsetzungen bzw erwarteten Ergebnissen mit den bisherigen Er-kenntnissen

MBR Zielsetzungerwartetes Ergebnis bisher erreichtes Ergebnis

Gasproduktion vergleichbare Gasmengen wie in konventionellen Reaktoren mit Rohguumllle

gleich hohe Gasmengen mit Duumlnnguumll-le

Gasausbeute houmlhere Ausbeuten gegenuumlber Rohguumllle mit 400 - 450 lkg OS

bis 540 lkg OS eine effizientere Ver-gaumlrung ist erzielbar

Gasqualitaumlt 50 bis 65 CH4 vergleichbar

Aufenthaltsdauer erheblich verkuumlrzt gegenuumlber uumlbli-chen Aufenthaltszeiten von 30 Tagen und mehr

10 Tage ohne Gasmengeneinbusse weitere Verkuumlrzung mit geringerer Gasproduktion

Prozessstabilitaumlt allgemein verbessert mit Guumllle sehr gut auch bei kurzer hydraulischer Verweilzeit stabil mit Cosubstrat stabil erst bei hoher Raumbelastung gt 6 kg OSm3d tritt eine Verschlechterung auf

Betriebsfuumlhrung houmlhere Sicherheit erfuumlllt Bedingung ist eine entspre-chende Vorbehandlung des Substrats

Wirtschaftlichkeit bei Einbezug der Verwertung der Gaumlrreste gegeben

wird im Rahmen der Messkampagne an der Grossanlage zusaumltzlich verifi-ziert

Praxistauglichkeit Eignung fuumlr den landwirtschaftli-chen Bereich

gegeben

Handlungsbedarf Im Rahmen der Arbeiten an der Versuchsanlage wurde deutlich dass mit der Vergaumlrung von Guumllle im MBR nicht nur Neuland betreten wurde sondern auch verschiedene Wissensluumlcken bei der konventi-onellen Vergaumlrung angegangen werden mussten Beispielsweise wird allgemein ein sehr schonendes Umwaumllzen des Reaktorinhalts gefordert Nach unseren Erkenntnissen stimmt diese Vorstellung nicht

Vielfach wird angenommen dass bei der Vergaumlrung separierter Duumlnnguumllle mit erheblichen Einbussen der Gasmenge zu rechnen ist Zumindest bei Schweineguumllle konnte dies widerlegt werden

Durch den Betrieb einer Ultrafiltration koumlnnte eine Akkumulation von Hemmstoffen im Reaktor auftre-ten und somit den Prozess negativ beeinflussen Diese Gefahr ist nicht auszuschliessen hingegen konnte bisher keine Akkumulation bzw Prozesshemmung festgestellt werden

Probleme an der Versuchsanlage traten im wesentlichen bei der Gasmengenmessung auf Die zu Beginn installierten Schwebekoumlrpermessgeraumlte (Rotameter) sind trotz Kondensatabscheidung nicht tauglich Diese Messgeraumlte koumlnnen nur fuumlr absolut trockene Gase eingesetzt werden Die Nachruumls-tung erfolgte mit einem Messgeraumlte das die Gasmenge magnetisch induktiv misst Dieses Messprin-zip hat sich im Einsatz bewaumlhrt Der Fermenterfuumlllstand wird an der Versuchsanlage hydrostatisch gemessen Der geringe Uumlberdruck durch die Gasbildung im Fermenter beeinflusst diese Messung insofern dass ein etwas houmlherer Fuumlllstand als tatsaumlchlich vorhanden ist angezeigt wird Fuumlr weitere Versuche muumlssten diesbezuumlglich Alternativen in Betracht gezogen werden Beispielsweise kaumlmen Geraumlte mit Messprinzipien auf der Basis von Radar Ultraschall Schwimmer oder Verdraumlngung in Frage Aus Kostengruumlnden konnten diese Problemstellungen nicht weiter behandelt werden

Schlussendlich fuumlhrte mit grosser Wahrscheinlichkeit die Wirkung von Hemmstoffen zu einem Erliegen der Gasproduktion bei der Versuchsanlage Als Folge davon musste nicht nur mit anderer Guumllle neu angefahren werden sondern auch eine zeitliche Verzoumlgerung in kauf genommen werden

Eine Weiterfuumlhrung der Versuche mit dem MBR-Verfahren im halbtechnischen Massstab erscheint erforderlich und sinnvoll da die bisherigen Erkenntnisse daraufhin deuten dass das Verfahren leis-tungsfaumlhig technisch machbar und wirtschaftlich interessant ist Das Potential einer effizienteren

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Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

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[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 26: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Gasproduktion und die technischen Vorteile des Verfahrens rechtfertigen aus unserer Sicht eine ver-tieftere Untersuchung

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

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700t

aW

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

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Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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Page 27: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

TEIL 2 Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Fuumlr den Bau der Anlage waren verschiedene Punkte entscheidend Die Firma Jakob Boumlsch AG besitzt in Aedelswil einen Schweinezucht- und -mastbetrieb der neben der Fleischproduktion auch zur Ver-wertung von Speiseabfaumlllen dient Aufgrund der beschraumlnkten Flaumlche kann die anfallende Guumllle nicht auf dem eigenen Land verwertet werden und muss an Landwirtschaftsbetriebe weitertransportiert werden Durch die steigende Annahme an Abfaumlllen und die gesetzlichen Einschraumlnkungen Abfaumllle nicht mehr in der Fuumltterung einzusetzen wurde nach neuen Konzepten gesucht Es war klar dass die Tierzahlen nicht reduziert werden sollten und somit eine technische Gesamtloumlsung gefunden werden musste

Weil mit der Verwertung von Abfaumlllen zusaumltzliche Naumlhrstoffe auf den Betrieb gelangen wurde eine Loumlsung angestrebt die bezuumlglich der Stoffkreislaumlufe befriedigen sollte Zudem wurde infolge des ho-hen Heizoumllverbrauchs bei der Futterkuumlche eine innovativere Variante mit Nutzung von erneuerbaren Energietraumlgern gesucht

Das vorgestellte Konzept des MBR konnte hier gegenuumlber konventionellen Biogasanlagen entschei-dende Vorteile aufweisen und kam daher bereits waumlhrend der Planung als moumlgliches Umsetzungs-konzept in Frage

Der Membranbioreaktor erzeugt einerseits Biogas und ist anderseits aufgrund seiner Kombination mit der Membrantechnik fuumlr die Fraktionierung von Substraten oder Gaumlrresten bestens geeignet Durch die verfahrensbedingte Membrantrennung besteht die Voraussetzung einer weiterfuumlhrenden Separie-rung In diesem Fall wurde eine Umkehrosmosestufe nachgeschaltet welche Wasser abtrennt und somit die Stoffstroumlme bezuumlglich Volumen und Duumlngerwert entscheidend verbessert Der Einsatz des abgetrennten Wassers als Brauchwasser reduziert die Menge der zu verwertenden Duumlngerfraktion auf weniger als die Haumllfte Hierdurch lassen sich sowohl Transport- als auch Energiekosten einsparen sowie Emissionen vermindern

Der MBR wurde daher von den Bauherren befuumlrwortet und umgesetzt Basierend auf den damals verarbeiteten Abfallmengen wurde ein PampD-Gesuch gestellt Durch die Gelegenheit weitere Abfall-mengen annehmen zu koumlnnen konnte die Verarbeitungskapazitaumlt noch in der Planungsphase ausge-baut werden Heute ist die Anlage knapp doppelt so gross wie die urspruumlnglich eingereichte PampD-Anlage Dies bedeutet auch einen groumlsseren Mehrwert fuumlr die investierten Bundesbeitraumlge

Die Weitsichtigkeit in der Planung kommt auch durch das erweiterte Betriebsgebaumlude zum Ausdruck In der zusaumltzlich realisierten von Lastwagen befahrbaren Zwischenetage besteht die Moumlglichkeit nachtraumlglich zB eine Feststofftrocknungsanlage oder eine weiterfuumlhrende Duumlngerverarbeitung einzu-bauen und somit die im Sommer anfallende Abwaumlrme gezielt zu nutzen

Abbildung 1 bdquoBau auf der gruumlnen Wieseldquo Die Anlage wurde in den bestehenden Hang eingebaut Die dafuumlr notwendigen Erdbewegungen erforderten einen grossen Maschineneinsatz Das urspruumlngli-che Landwirtschaftsland wurde durch einen Gemeindebeschluss (Abstimmung) in die Gewerbe- und Industriezone uumlberfuumlhrt

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Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

3748

Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

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Page 28: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Beschreibung der Anlage Basierend auf den vorangegangen Forschungsarbeiten (TEIL 1) wurde das Konzept des Membranbio-reaktor (MBR) in die Planung der Grossanlage integriert

Abbildung 2 Von der Forschung zur Umsetzung Mit MBR-Forschungsanlage (unten) auf dem Ge-laumlnde der Jakob Boumlsch AG in Schwellbrunn wurden die Grundlagen fuumlr den Bau der PampD-Anlage (oben) erarbeitet

Im Folgenden werden die wichtigsten Eckdaten sowie der prinzipielle Aufbau und die wichtigsten Ab-laumlufe der PampD-Anlage erlaumlutert

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

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7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

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tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

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[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 29: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

ECKDATEN

Die Anlage befindet sich in Aedelswil auf dem Gebiet der Gemeinde Schwellbrunn nahe Herisau im Kanton Appenzell Ausserrhoden Das zum Betrieb der Jakob Boumlsch AG gehoumlrende Landwirtschafts-land musste fuumlr den Bau der Anlage umgezont werden Mittels Abstimmung in der Gemeindversamm-lung konnte das Bauvorhaben Mitte 2005 in Angriff genommen werden In Tabelle 1 werden die wich-tigsten Eckdaten wiedergegeben

Tabelle 1 Eckdaten der MBR-Pilotanlage

Betreiber und Inhaber Firma Jakob Boumlsch AG

Verarbeitungskapazitaumlt 20rsquo000-25000 Tonnen Biomasse pro Jahr

Elektrische Leistung 11 MW Blockheizkraftwerk mit Gasmotor

Stromproduktion pro Jahr

Maximal 8rsquo000 MWh ( entspricht rund 2rsquo000 Haushalten)

(Im ersten Betriebsjahr 2007 wurden knapp 4rsquo000 MWh produziert)

Waumlrmeleistung Bei Volllast theoretisch 24 MW Die Anlage hat 2007 rund 160rsquo000 Liter Heizoumll ersetzt Eine weitergehende Waumlrmenutzung ist in Abklaumlrung

Naumlhrstoffproduktion Die vergorene Biomasse wird zu wertvollen Duumlngefraktionen und 10000 Tonnen Brauchwasser aufgearbeitet Damit werden rund 50 weniger Transporte fuumlr die Duumlngung benoumltigt

Biogasanlage 3 Fermenter mit je 1rsquo600 m3 Inhalt in Kombination mit Membrantrennanla-ge als Membranbioreaktor betrieben

Investitionskosten Fr 125 Mio ohne Buumlro- und Lagertrakt

Arbeitsplaumltze Fuumlr die Pilotanlage (ohne Buumlro und Stallungen) sind 4-5 Vollzeitstellen ge-schaffen worden

PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU UND PRODUKTIONSABLAUF

Betrieb als Membranbioreaktor

Die Anlage verarbeitet sowohl Guumllle aus den angegliederten Stallungen als auch angelieferte Abfaumllle Es handelt sich hierbei um die erste anaerobe Membranbioreaktor-Anlage (MBR) in der Schweiz Sie wurde daher vom Bundesamt fuumlr Energie als Pilot- und Demonstrationsanlage unterstuumltzt

Die jaumlhrlich anfallenden 8rsquo000 Tonnen Guumllle aus den betriebseigenen Stallungen sowie maximal 15000 t Abfaumllle werden in zwei separaten Linien angenommen aufbereitet und in die Fermenter der Biogasanlage beschickt

Um die Anlage als Membranbioreaktor zu betreiben laumluft die eingesetzte Biomasse erst durch die Vergaumlrung und wird anschliessend von Feststoffen separiert Die duumlnne Phase wird uumlber eine Ultrafilt-ration (UF) weiter in ein UF-Permeat und ein UF-Retentat aufgetrennt Das UF-Retentat enthaumllt die noch nicht vollstaumlndig vergorene Biomasse mit den Bakterien aus dem Fermenter Durch die teilweise Ruumlckfuumlhrung dieses Retentats kann ein vollstaumlndigerer und effizienterer Abbau der organischen Sub-stanz gewaumlhrleistet werden Das UF-Permeat ist keimfrei und enthaumllt weitgehend mineralische Duumln-gekomponenten Dieses UF-Permeat wird in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage (RO) weiter in Brauchwasser und in einen Fluumlssigduumlnger aufgetrennt

Die Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse ist das Kernprinzip des Membranbioreaktors

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Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

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t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

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700t

aW

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Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

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OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 30: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Das Prinzip des MBR wird in folgenden Schema verdeutlicht

Abbildung 3 Prinzipieller Ablauf eines Membranbioreaktors mit nachgeschalteter Naumlhrstoffaufberei-tung zur Herstellung von Fluumlssigduumlnger

Bei der Pilotanlage werden unterschiedliche Biomassesortimente angenommen Im Gegensatz zu Guumllle deren feste Bestandteile innert nuumltzlicher Frist kaum Gas geben sind hier auch die Feststoffe fuumlr die Vergaumlrung geeignet Sie werden daher erst nach der Vergaumlrung abgetrennt Durch die an-schliessende Ruumlckfuumlhrung der aktiven Biomasse in den Fermenter bleibt das Prinzip des Membran-bioreaktor erhalten

Der Einsatz der Membrantrenntechnik beguumlnstigt nicht nur die Biologie der Vergaumlrung es koumlnnen auch die Stofffluumlsse entscheidend beeinflusst werden Durch die Stufe der Ultrafiltration wird erst eine nachgeschaltete Umkehrosmose moumlglich und damit koumlnnen aufkonzentrierte Duumlngerfraktionen bereit-gestellt werden Da das Einsatzspektrum dieser Duumlngefraktionen breiter gefaumlchert ist als herkoumlmmli-che Guumllle oder Gaumlrgut laumlsst sich hierdurch auch Handelsduumlnger substituieren Neben den Vorteilen eines geschlossenen Kreislaufs kann hierdurch auch graue Energie eingespart werden

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

Duumlngung(OSP-Lieferant)

Duumlngung(NK-Duumlnger)

Betrieb

Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose

Fluumlssig-duumlngerFeststoffe Retentat

Brauch-wasserRohsubstrat

BHKW(WaumlrmeampStrom)

Vergaumlrung

Biogas

Biomasse-Ruumlckfuumlhrung

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Projekt MBR ARGE MBR

Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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Projekt MBR ARGE MBR

ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

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200t

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Anae

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000t

a

Lagertank1800msup3

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ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

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Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

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7

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r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

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risch

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tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

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220

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300

320

07

300

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07

300

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300

620

07

300

720

07

300

820

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300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

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Feb

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07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

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Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 31: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Komponenten

Die wichtigsten Komponenten der Pilotanlagen sind

o Zwei Annahmelinien (rot und gruumln) zur Vortrennung der angelieferten Biomasse mit Vorgru-ben

o Hammermuumlhle

o Sterilisationsstufe

o Lager- und Stapeltanks

o Drei Fermenter zu je 1rsquo600 m3

o Gasreinigung Entschwefelung

o BHKW mit 11 MW elektrischer Leistung bestehend aus Generator und Gasmotor mit Abgas-waumlrmetauscher zur Herstellung von Prozessdampf fuumlr die Sterilisierung

o Gaslager mit 2500 m3 Volumen und Gasfackel fuumlr Notbetrieb

o Lager fuumlr Duumlngerfraktionen Brauchwasser

o Fest-Fluumlssig-Trennung mittels Dekanter

o Membrantrenntechnik bestehend aus einer Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage

o Schaltzentrale mit Computer gestuumltzter Steuerung

o Waumlscher und Biofilter zur Abluftreinigung

Die folgende schematische Darstellung zeigt die wichtigsten Elemente bzw Ablaumlufe der Anlage

Abbildung 4 Blockschema der Anlage in Schwellbrunn (AAT 2007) In diesem Schema ist der Teil der Membranstufe die den MBR auszeichnet nicht ersichtlich

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

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t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

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[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 32: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Ablauforganisation

Biomasseanlieferung

Die angelieferte Biomasse wird in zwei Linien aufgeteilt Hygienisch unbedenkliche Materialien (gruumlne Linie) sowie Stoffe die vor der Vergaumlrung eine Sterilisierung durchlaufen muumlssen (rote Linie)

Als Beispiel werden im Folgenden einige Substrate der beiden separaten Linien aufgefuumlhrt Gruumlne Linie

o Industrielle Ruumlstabfaumllle aus der Lebensmittelverarbeitung o Industrieabwaumlsser wie Zuckerwasser aus der Getraumlnkeherstellung o Fehlproduktionen aus der Milchverarbeitung o Speisereste aus der Gastronomie o Abfaumllle der Lebensmittelindustrie (Teig Trester etc) o Panseninhalte o Retouren abgelaufener Lebensmittel von Grossverteilern o Guumllle (wird via Leitung direkt von den Stallungen angeliefert)

Rote Linie o Blut o Schlachtabfaumllle der Kategorie 2 und 3 dh alles ausser Materialien die der Verbrennung zu-

gefuumlhrt werden muumlssen (Kategorie 1) o Fisch o Tierische Produkte wie Fette Eier

Das Material der gruumlnen Linie wird in Kippmulden abgeladen anschliessend uumlber eine Hammermuumlhle zerkleinert und zusammen mit der Guumllle eingespeist Fremdstoffe wie Verpackungsmaterialien werden vorher in der Hammermuumlhle abgetrennt Via Waumlrmetauscher erfolgt eine Aufheizung des Materials auf rund 38degC bevor die Beschickung in die Fermenter erfolgt

Das Rohmaterial der roten Linie wird vor der Vergaumlrung sterilisiert Hierfuumlr stehen drei Druckbehaumllter (Autoklav) agrave 7rsquo000 Liter Inhalt zur Verfuumlgung In ihnen wird das Material unter 3 bar Druck waumlhrend 20 Minuten auf 133degC erhitzt und gelangt nach der Abkuumlhlung zusammen mit dem Material der gruumlnen Linie in die Fermenter Das sterilisierte Material gibt bei der Entnahme seine Abwaumlrme an das aufzu-heizende Gut weiter Die restliche Waumlrme wird via Dampf aus der Abwaumlrme des BHKW hinzugefuumlgt

Zur Steuerung einer optimalen Fermenterbeschickung koumlnnen fluumlssige Biomassesortimente wie zB Molkereiabfaumllle Fette oder Blut in Stapeltanks zwischengelagert werden

Abbildung 5 Kippmulde der roten Linie mit angelieferten Fischabfaumlllen

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Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

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0ta

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 33: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Biogasproduktion

In den Fermentern entsteht durch die Vergaumlrung Biogas Uumlber eine biologische Entschwefelungsstufe gelangt das gereinigte Gas in den Gassack der sich uumlber dem Nachgaumlrlager befindet Von dort wird das Biogas dem BHKW weitergeleitet

Abbildung 6 Biologische Entschwefelungsanlage (schmaler Tank in der Bildmitte)

Strom- und Waumlrmeproduktion

Das BHKW mit einer elektrischen Leistung von 11 MW wird von einem Gasmotor angetrieben Der Strom wird direkt ins Netz eingespeist Die Waumlrmeleistung des Motors betraumlgt rund 24 MW Uumlber Abgaswaumlrmetauscher kann die fuumlr den Prozessdampf notwendige Temperatur erreicht werden Die restliche Abwaumlrme dient zur Heizung von Gebaumluden und den Fermentern

Trennstufen

Nach der Vergaumlrung wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Die Feststoffe werden in Mul-den gesammelt und in die Landwirtschaft ruumlckgefuumlhrt Die duumlnne Phase wird uumlber die Membrantrenn-stufen UF und RO wie beschrieben aufgetrennt und aufkonzentriert Das Brauchwasser gelangt in Lagertanks und kann fuumlr die Sterilisationsanlage oder zu Reinigungszwecken verwendet werden Die Duumlngefraktionen werden in der Landwirtschaft vermarktet Damit schliesst sich der Kreislauf der Bio-masse weitgehend

Abbildung 7 Umkehrosmoseanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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Projekt MBR ARGE MBR

ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

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700t

aW

C ndash

Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 34: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Abluftreinigung

Zur Vermeidung von starken Geruumlchen wurde die Anlage so konzipiert dass die Annahmehalle im Unterdruck betrieben wird Die Abluft wird uumlber einen Waumlscher und einen Biofilter gereinigt Der Wauml-scher ist zweistufig aufgebaut und reinigt sowohl im sauren wie auch im alkalischen Bereich Der Wauml-scher ist in Verbindung mit der Sterilisationsstufe unzureichend dimensioniert und kann die auftreten-den Spitzen nicht abfangen Eine entsprechende Anpassung der Anlage ist geplant

Abbildung 8 Biofilter befuumlllt mit Fichten Hack- und Rindenschnitzel

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Projekt MBR ARGE MBR

ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

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t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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selu

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700t

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Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

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7

Augus

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7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

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risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

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Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

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Okt

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Nov

07

Zeitachse

MW

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Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

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[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 35: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

ERGEBNISSE UND ERFAHRUNGEN WAumlHREND DES ERSTEN BETRIEBSJAHRES Die wichtigsten Erkenntnisse werden stichwortartig wiedergegeben Details mit Messergebnissen werden im TEIL 3 behandelt

Schwierigkeiten und Optimierungsbedarf

Die Bauarbeiten waren infolge des grossen Felsanteils im Fundamentbereich aufwendiger als erwar-tet Die wesentlichsten Schwierigkeiten ergaben sich aber nach der Inbetriebnahme Dabei sind zwei Hauptursachen fuumlr eingeschraumlnkten Betrieb waumlhrend des ersten Jahres zu nennen

o Unzureichende Fest-Fluumlssig-Trennung

Wie oben beschrieben wird das Gaumlrgut uumlber einen Dekanter entwaumlssert Das anfaumlnglich ein-gebaute Modell war nicht ausreichend auf die eingesetzten Biomassesortimente abgestimmt und lieferte nur sehr nasse Feststoffe Ausserdem war die Durchsatzleistung unzureichend was wiederum den Betrieb der nachgeschalteten Ultrafiltrationsanlage beeintraumlchtigte Inzwi-schen wurde ein neuer Dekanter installiert Der Betrieb konnte Mitte Oktober wieder aufge-nommen werden In Folge davon konnte die Anlage waumlhrend des Dekanterausfalls auch nicht als MBR betrieben werden

o Starke Geruchsbelaumlstigung beim Einsatz der Sterilisationsanlage

Der eingesetzte Abluftwaumlscher erwies sich als voumlllig unzureichend in Verbindung mit dem Ein-satz der Sterilisationsanlage Auch der nachgeschaltete Biofilter ist mit den sporadisch aber intensiv auftretenden Geruchsspitzen uumlberfordert Die Biologie im Rindenbereich kann nicht so schnell auf die anfallenden Spitzen reagieren Die dabei entstehenden Geruumlche sind penetrant und fuumlhrten zu Reklamationen der benachbarten Einwohner Auch hier ist Abhilfe durch den Ersatz des Waumlschers mit anderen Verfahren vorgesehen Die Folge davon ist aber ein vorerst reduzierter Betrieb im Bereich der roten Linie Da dieses Material aber fuumlr gute Gasertraumlge sorgt wird sich dies bei der Biogasproduktion bemerkbar machen

Umsetzung Publikationen PR-Aktivitaumlten

Die Akzeptanz der Anlage wird durch eine aktive Informationspolitik verbessert Folgende Aktivitaumlten wurden 2007 umgesetzt

o Das Konzept und die Anlage selber stossen auf viel Interesse Dies aumlussert sich in vermehr-ten Besucheranfragen welche die Anlage gerne besichtigen moumlchten Um im naumlheren Umfeld zu informieren wurde im August 2007 ein bdquoTag der offenen Tuumlrldquo durchgefuumlhrt Als Handout wurde eine Informationsbroschuumlre kreiert und den Besuchern abgegeben

o Fuumlr Besucherfuumlhrungen wurde eigens ein Informationsfilm in Auftrag gegeben Der rund zehn Minuten lange Streifen informiert uumlber die Anlage und ihre wesentlichen Komponenten

o Fuumlr fachlich interessierte Kreise hat Biomasseenergie Schweiz ein Merkblatt zur Anlage ver-fasst

o Im Juli 2007 wurde ein von den Autoren redigierter Artikel uumlber die Pilotanlage in der Fach-zeitschrift Gas und Wasser publiziert

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Durch die beschriebenen Maumlngel bei den Komponenten Abluftreinigung und Dekanter konnte der Betrieb nicht wie geplant hochgefahren werden Die Behebung verursacht Kosten und benoumltigt Zeit Fuumlr eine aussagekraumlftige Beurteilung des Gesamtkonzeptes sind die gesammelten Erfahrungen noch nicht ausreichend

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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0ta

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

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7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

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risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

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sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

4448

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

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[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

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[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 36: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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TEIL 3 Messkampagne der Pilot- und Demonstrationsanlage

Ausgangslage Die vorliegende Messkampagne zeigt die Erfahrungen des ersten Betriebsjahres die mit der Pilot- und Demonstrationsanlage in Schwellbrunn gesammelt wurden Die Erhebungen sind vertraglicher Bestandteil einer Pilotanlage und sollen aufzeigen wo die Staumlrken und Schwaumlchen des Konzeptes oder der spezifischen Bauart liegen

Die erhobenen Messungen beziehen sich auf den Zeitraum von Ende November 2006 bis Ende November 2007

Basierend auf den Beschreibungen in TEIL 2 werden nur noch die Komponenten detaillierter be-schrieben die spezifisch fuumlr das Verstaumlndnis der Messergebnisse notwendig sind

Ziele Die wichtigsten Ziele der Messkampagne sind die Erhebung und Bewertung folgender Punkte

o Schwierigkeiten und Hindernisse

o Stofffluumlsse der Anlage

o Energie bezuumlglich Strom- und Waumlrmeproduktion sowie bezuumlglich Eigenverbrauch

Methode

MESS- UND REGELTECHNIK Die Anlage wird mit einem PC-gesteuerten Leitsystem bedient und zeichnet mit Unterbruumlchen seit dem 1 Dezember 06 die wichtigsten Daten (siehe unten) auf Basis bildet eine Siemens SPS

Die benutzerfreundliche Oberflaumlche erlaubt es folgende Mess- und Regelbereiche zu steuern

o Gasstrasse

o Annahme gruumlner Bereich

o Annahme roter Bereich

o Beschickung Fermenter

o Stapeltanks

o Gas- und Gaumlrrestlager

o Duumlngeraufbereitung

o BHKW

o Verlad

o Heizung

o Fermenter 1-3 (einzeln)

o Hygienisierung

o Biofilter

o Gaumlrrestpumpen

o Lager Schweinemastbetrieb

o Entschwefelung

o BHKW

Die oben aufgefuumlhrten Bereiche entsprechen gleichzeitig den wichtigsten Anlagenkomponenten

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

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st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

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7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

4148

Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 37: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Abbildung 1 Bildschirmausdruck der BHKW-Steuerung als Beispiel fuumlr die visualisierte Anlagensteu-erung (Quelle Firma Swiss Control AG Herisau)

Fuumlr alle oben aufgefuumlhrten Messstellen sind Bildschirmdarstellungen nach dem Muster von Abb1 vorhanden

Da gewisse Datenreihen Luumlcken aufweisen wurde das Heranziehen von Handaufzeichnungen und das Extrapolieren notwendig um entsprechende Ruumlckschluumlsse ziehen zu koumlnnen

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Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

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200t

a

Anae

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Lagertank1800msup3

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Gaumlr

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stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

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Dezembe

r 06

Janu

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r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

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7

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7

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r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

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Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

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70

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9030

11

2006

301

220

06

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220

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300

320

07

300

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300

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07

300

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300

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07

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301

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07

301

120

07

Zeitachse

[ M

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Reihe1

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Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

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3500

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Dez

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Feb

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07

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Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

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[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

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[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 38: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Ergebnisse des ersten Betriebsjahres

INBETRIEBNAHME Die Anlage wurde von Oktober 2006 an schrittweise befuumlllt angeimpft und durch kontinuierliche Zu-gabe von Co-Substrat (Gemuumlsereste) hochgefahren Drei Wochen nach dem ersten Befuumlllen erreichte die Gasqualitaumlt uumlber 50 Methangehalt und das Biogas konnte erstmals abgefackelt werden Ende November 2007 war die Gasmenge und -qualitaumlt ausreichend um das Einfahren des BHKW vorzu-nehmen Das Beheizen der Fermenter erfolgte anfaumlnglich noch via Fernheizleitung vom Bereich der Futterkuumlche Seit Inbetriebnahme des BHKW kann die Waumlrme selber produziert werden Neben der reinen Biogasanlage wurden auch die peripheren Anlagenkomponenten hochgefahren so dass die Anlage seit Dezember 06 in Betrieb steht

SCHWIERIGKEITEN UND OPTIMIERUNGEN Waumlhrend des ersten Betriebsjahres mussten verschiedene Anpassungen vorgenommen werden Die wichtigsten sind

Fest-Fluumlssigtrennung

Nach der Vergaumlrung muss das Gaumlrsubstrat eine Fest-Fluumlssigtrennung durchlaufen damit die Duumlnn-phase der Ultrafiltration zu gefuumlhrt werden kann Die Abtrennung der Feststoffe erfolgte anfaumlnglich uumlber einen Dekanter aus zweiter Hand der urspruumlnglich fuumlr die Proteinabtrennung eingesetzt wurde Es stellte sich heraus dass die Bandbreite des vergorenen Materials so gross ist dass dieser Anla-gentyp nicht die gewuumlnschten Ergebnisse erzielen konnte Es wurden daher verschiedene Versuche zur Verbesserung der Abtrennleistung durchgefuumlhrt Aktuell kommt ein Dekanter mit groumlsserer Durch-satzleistung unter Einsatz von Flockungsmitteln zum Einsatz Die Feststoffe haben die gewuumlnschte Struktur sowie Feuchte und die Duumlnnphase kann in der UF weiterverarbeitet werden

Durch diese Umbau- und Versuchsarbeiten welche sich uumlber einen Zeitraum von Mitte Maumlrz bis Mitte Oktober erstreckten konnte die Anlage nicht als MBR betrieben werden Damit ist der groumlsste Teil der Messkampagne davon betroffen

Geruchsbelaumlstigung

Eine sehr wichtige Komponente fuumlr die Akzeptanz der Anlage ist die Abluftreinigung Hierfuumlr wurden einerseits Waumlscher eingesetzt die die Hallenabluft und insbesondere die Abluft der Sterilisierung vor-reinigen Andererseits wird anschliessend die vorgereinigte Luft auf den Biofilter weitergeleitet Da die Hallen konstant im leichten Unterdruck gehalten werden sollte die Geruchsbelaumlstigung das urspruumlng-liche Mass des Betriebs bzw der Stallungen nicht uumlbertreffen

Die Erfahrungen zeigen aber dass die Geruchsemissionen die urspruumlnglichen Erwartungen uumlbertref-fen und die Akzeptanz der Anrainer stark strapaziert wurde Grund fuumlr die starke Geruchsentwicklung ist die Dimensionierung der Abluftwaumlscher und das stossweise Auftreten von Geruchsemissionen wenn die Sterilisationsbehaumllter entleert werden Hierbei entstehen so starke Geruchsspitzen dass die eingebauten Waumlscher aber auch der anschliessende Biofilter uumlberlastet sind

Abhilfe sollen groumlsser dimensionierte Waumlscher mit zusaumltzlichen Neutralisationseinheiten liefern Zu-dem wurden die Biofilter den neuen Begebenheiten angepasst Diese Umbauten werden zZt vorge-nommen so dass noch keine Aussagen bezuumlglich Wirksamkeit moumlglich sind

Um die Akzeptanz der Anlage nicht zu gefaumlhrden wird seit Mitte September weniger Material in der roten Linie angenommen und das Sterilisieren auf ein Minimum eingeschraumlnkt Die Folge ist dass weniger Biomasse mit hohen Gasausbeuten zur Verfuumlgung steht und mit einem Ruumlckgang der Bio-gasproduktion zu rechnen ist

Datenverlust im Leitsystem

Obwohl das Leitsystem konstant alle Daten der oben aufgefuumlhrten Messbereiche aufzeichnet wurden aufgrund von Bedienungsfehlern bei Neuinstallationen Daten geloumlscht Die fehlenden Datenreihen befinden sich in unterschiedlichen Zeitfenstern (zwischen Dezember 06 und Mai 07 fuumlr die Gaspro-duktion und zwischen Juni und Dezember 07 fuumlr den Eigenstromverbrauch) Die fehlenden Daten mussten nachtraumlglich mit Handaufzeichnungen Interviews und via Extrapolieren rekonstruiert werden

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

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0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

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Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

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Lagertank1800msup3

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

4048

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 39: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

STOFFMENGEN Von Ende November 06 bis Ende November 2007 wurde insgesamt 14107 m3 in die Fermenter be-schickt Dabei ist der Guumllleanteil mit rund 8rsquo000 m3 zZt noch uumlber 50 Die professionelle Annahme der verschiedensten Substrate bedingt eine klare Trennung in direkt vergaumlrbare Stoffe und Abfaumllle die erst eine Hygienisierung bzw Sterilisierung durchlaufen muumlssen Eine interne Qualitaumltssicherung ga-rantiert diese festgelegten Ablaumlufe

Abbildung 2 zeigt die bei Volllast angestrebten Durchsatzmengen Aufgrund der beschriebenen

Einschraumlnkungen sind diese Zahlen 2007 erst zu 60 erreicht worden (AAT 2004) Insgesamt konnte 2007 noch nicht die volle Verarbeitungskapazitaumlt erreicht werden Uumlber die gesamte Messperiode von Ende November 2006 bis Ende November 2007 liegt die durchschnittliche Tages-verarbeitung bei rund 39 Tonnen Biomasse Um die Biologie der Fermenter nicht uumlberzustrapazieren wurde bis Maumlrz sehr zuruumlckhaltend beschickt Wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wurde nach Maumlrz 2007 konstant beschickt

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

ffeZu

r Muumll

lver

bren

nung

200t

a

Anae

robk

ompo

st2

000t

a

Lagertank1800msup3

Ret

enta

t

Gaumlr

ruumlck

stan

d

Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

ng3

700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

Anlieferung Produktionsreststoffe18250ta

Mast- und Futteraufbereitungsbetrieb BOumlSCH

1650ta Guumllle6150ta Reinigungswaumlsser

Schweinedusche etc

Aufbereitungsanlage

7800ta18250ta

OTS ndash Uumlberfuumlhrungin Biogas2100ta

Stouml

rsto

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r Muumll

lver

bren

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200t

a

Anae

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a

Lagertank1800msup3

Ret

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Gaumlr

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Fluumlssigduumlnger5700ta

BrauchwasserLagertank1800msup3

Abluftwaumlscher Biofilter1000taReinigungswasser

1000taBrauchwasser zur Dampferzeugung

4000taReinigungswasser Schweinedusche etc

6150taZur V

errie

selu

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700t

aW

C ndash

Spuuml

hlun

g20

0ta

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

4548

Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

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[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

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[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 3 Beschickung der Fermenter im betrachteten Zeitraum Nach der langsameren Anlauf-phase in der aus Ruumlcksicht auf die Biologie der Fermenter noch relativ verhalten beschickt wurde steigt die Beschickungskurve ab Maumlrz konstant an Neben den eingesetzten Mengen Biomasse (Input) wurden auch Duumlngerprodukte (Output) hergestellt Aus den rund 14000 t Biomasse sind so folgende Endprodukte entstanden

o Biogas 1800 t o Stoumlrstoffe 100 t o Feststoffe 1600 t o RO-Retentat 3rsquo600 t (bzw Gaumlrgut von April bis Oktober) o Brauchwasser rund 7rsquo000 t

Verarbeitete Biomasse

3000

5000

7000

9000

11000

13000

15000

Novembe

r 06

Dezembe

r 06

Janu

ar 07

Februa

r 07

April 0

7

Mai 07

Juni

07

Juli 0

7

Augus

t 07

Septem

ber 0

7

Oktobe

r 07

Novembe

r 07

Zeitraum

Tonn

en F

risch

subs

tanz

Den Fermentern zugefuumlhrte Biomasse

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 Dez06

1 Jan07

1 Feb07

1 Mrz07

1 Apr07

1 Mai07

1 Jun07

1 Jul07

1 Aug07

1 Sep07

1 Okt07

1 Nov07

Zeitraum

in 1

000

m3

Bio

gas

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

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angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

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[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

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[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

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[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 41: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

ENERGIE

Gasproduktion Bereits im November 06 war ausreichend Gas in brauchbarer Qualitaumlt vorhanden und musste erst-mals via Gasfackel abgebrannt werden Ende Dezember 06 war die Gasqualitaumlt fuumlr die Nutzung via BHKW moumlglich In dieser Anfangszeit wurde der Motor nur waumlhrend der Stromspitzenverbrauchszei-ten betrieben Wegen des beschriebenen Datenverlustes sind erst ab 16507 verlaumlsslich Gasmengen aufgezeichnet worden Aufgrund der mittels BHKW eingespeisten kWh lassen sich auch die Daten von Dezember bis Mai rekonstruieren Die so korrigierte Gasmenge belaumluft sich auf insgesamt 156 Mio m3 Biogas Damit wurden aus den verarbeiteten 14rsquo100 Tonnen Biomasse durchschnittlich 110 m3 Biogas ge-wonnen Dabei duumlrften die rund 8rsquo000 Tonnen Guumllle nur etwa 80000 m3 beisteuern Dh dass die verarbeiteten 6100 t Co-Substrate ergeben eine durchschnittliche Gasausbeute von rund 240 m3t FS

Gasqualitaumlt Die Gasqualitaumlt wird primaumlr durch den Methananteil bestimmt Je houmlher der Methananteil umso groumls-ser ist der Heizwert und umso mehr Leistung kann pro Kubikmeter Gas generiert werden Um einen reibungslosen Betrieb des BHKW zu gewaumlhrleisten sind die Qualitaumltsanforderungen des Motorenher-stellers bezuumlglich Feuchte Schwefelwasserstoff und Verunreinigungen einzuhalten Dies wird auf der Anlage unter anderem durch eine biologische Entschwefelung (vgl TEIL2 Abb 6) gewaumlhrleistet Der durchschnittliche Methangehalt uumlbers ganze Jahr liegt bei 6314 Dieser Wert wurde uumlber 30000 Einzeldaten gemittelt Zur Auswertung wurden alle Werte unter 30 und uumlber 85 als nicht plausibel entfernt

Biogasproduktion

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gas

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

40

50

60

70

80

9030

11

2006

301

220

06

300

120

07

280

220

07

300

320

07

300

420

07

300

520

07

300

620

07

300

720

07

300

820

07

300

920

07

301

020

07

301

120

07

Zeitachse

[ M

etha

n]

Reihe1

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Literatur

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[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 42: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Abbildung 5 Verlauf des Methangehalts im Gas uumlber den beobachteten Zeitraum Diese Daten liegen erst ab dem 301206 vor Durch Umbauten in der Messtechnik (274-1752007) sind partielle Daten-verluste sichtbar Stromproduktion Das BHKW ist seit Dezember 2006 in Betrieb und speist in Abhaumlngigkeit von der vorhandenen Gas-menge und der Nachfrage des Elektrizitaumltswerkes die gewuumlnschte Menge Strom ins Netz ein Waumlh-rend der Startphase und innerhalb der Sommermonate wurde der Strom vorwiegend zu den Spitzen-zeiten produziert und hat demnach auch houmlhere Ertraumlge erzielt Waumlhrend der Wintermonate muss auch mit der Abwaumlrme kalkuliert werden und daher wird je nach Waumlrmebedarf Strom eingespeist Generell kann nur der uumlberschuumlssige Strom ins Netz abgegeben bzw verrechnet werden Dh die Versorgung des Betriebes (Sterilisation Pumpen Beleuchtung Buumlros) muss mit eigenem Strom ge-deckt werden und nur der uumlbrige Teil steht fuumlr die Netzabgabe zur Verfuumlgung Der gesamte durch das BHKW erzeugte Strom wird jedoch als bdquoOumlkostromldquo angesehen

Gasqualitaumlt - Methananteil

30

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

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Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

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Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

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erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

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740000kWh

600000 kWh

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angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

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Projekt MBR ARGE MBR

Abbildung 9 BHKW mit Gasmotor und einer elektrischen Leistung von 11 MW Die uumlbers Jahr eingespeiste Wirkleistung in MWh elektrisch ist in Abbildung 10 ersichtlich Innerhalb eines Jahres dh waumlhrend 6rsquo724 Betriebsstunden wurden insgesamt 3rsquo870 MWh ins Netz abgegeben Dies entspricht einer durchschnittlichen Tagesproduktion von rund 575 kWh elektrisch Damit ist das BHKW bis jetzt nur knapp zur Haumllfte ausgelastet

Abbildung 10 Stromeinspeisung des BHKW uumlber 12 Monate

Stromeinspeisung bzw Wirkleistung des BHKW

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Nov

06

Dez

06

Jan

07

Feb

07

Mrz

07

Apr

07

Mai

07

Jun

07

Jul

07

Aug

07

Sep

07

Okt

07

Nov

07

Zeitachse

MW

h el

ektri

sch

Wirkleistung des BHKW in Abhaumlngigkeit der Zeit

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

4648

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

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[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 44: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Strombedarf Die Anlage speist Strom ins Netz ein Ihr Eigenbedarf wird direkt vom Generator gedeckt Wenn das BHKW nicht laumluft bezieht der Betrieb Strom aus dem Netz der SAK (St Gallische und Appenzeller Kraftwerke) Die folgenden Tabelle weist den Eigenstrombedarf im Vergleich zur produzierten Menge Strom aus Tabelle 1 Stromproduktion und Eigenverbrauch waumlhrend der Messkampagne

Der Februarwert ist uumlberpruumlft und kann nur mit der zuruumlckhaltenden Beschickung in der Anfahrphase begruumlndet werden Der durchschnittliche Eigenverbrauch liegt bei 27 der produzierten Strommenge Zwischen Januar und April sowie nach Oktober liegt der Eigenverbrauch mit durchschnittlich 92 MWh oder 36 deutlich houmlher In dieser Zeit wurde die Anlage als MBR und mit der nachgeschalteten Naumlhrstoffaufbereitung gefahren Waumlrmebedarf Die wichtigsten Waumlrmebezuumlger sind

o Fermenter der Biogasanlage o Sterilisation o Gebaumlude Buumlro Nachbarliegenschaft o Stallungen o Futterkuumlche

Die Anlage ist so konzipiert dass alle Waumlrmebezuumlger mit der Abwaumlrme des BHKW beheizt werden koumlnnen Hierfuumlr wurde eine entsprechende Fernleitung verlegt Zudem kann via Dampfleitung auch die Futterkuumlche welche sich rund 150 Meter oberhalb des Neubaus befindet mit Prozessdampf ver-sorgt werden Als Alternative zum BHKW und fuumlr den Notbetrieb besteht eine Oumllfeuerung die auch zu Beginn die notwendige Waumlrme fuumlr das Anfahren der Fermenter geliefert hat Bei Volllast und einem elektrischen Wirkungsgrad von 40 koumlnnte das BHKW theoretisch rund 24 MW thermische Leistung erbringen Basierend auf der Stromproduktion (3rsquo875 MWh el) wurden rund 8rsquo700 MWh Waumlrme produziert Waumlhrend der Messkampagne mussten die drei Fermenter mit je 1600 m3 Volumen auf ihre Betriebs-temperatur von 38degC gebracht werden Hierfuumlr wurden einmalig rund 250 MWh benoumltigt Vom BHKW

Monat Monatliche Stromproduktion BHKW (Wirkleistung) in MWh

Eigenverbrauch der Anlage in MWh

Netto-Produktion

Verhaumlltnis Produktion zu Eigenverbrauch

[MWh elektrisch] [MWh elektrisch] [MWh elektrisch]Dezember 2006(ab 712)

207 60 147 29

Januar 07 260 90 170 35Februar 07 158 98 60 62Maumlrz 07 305 84 221 28April 07 225 83 142 37Mai 07 395 69 326 17Juni 07 430 87 343 20Juli 07 440 87 353 20August 07 350 77 273 22September 07 385 85 300 22Oktober 07 410 113 297 28November 07 310 116 194 37Total 3875 1049 2826 27

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

4648

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 45: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

konnten anfaumlnglich selten mehr als 500 KW thermische Leistung bezogen werden Damit war das Nachheizen mit der Oumllfeuerung in der Startphase zeitweise unumgaumlnglich Insgesamt wurden waumlhrend der Messperiode 60000 Liter verbraucht Der urspruumlngliche Heizoumll-verbrauch der Firma Jakob Boumlsch AG lag vor Inbetriebnahme bei rund 220000 kg pro Jahr Dies er-gibt eine Einsparung an fossiler Energie von rund 160000 kg oder rund 16 Mio kWh thermisch Aus wirtschaftlichen Gruumlnden wurde zudem das BHKW vorrangig zur Deckung des Spitzenstroms eingesetzt Fuumlr die Biogasanlage errechnet sich der Waumlrmeverbrauch aus den Waumlrmeverlusten der Fermenterhuumll-le sowie dem frisch beschickten Material das auf 38degC geheizt werden muss Inklusive Verluste kann von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von rund 1rsquo000 MWh ausgegangen werden Der Waumlrmebedarf der Sterilisationsanlage wird durch die Waumlrmeruumlckgewinnung reduziert Pro Verar-beitung (7rsquo000 kg pro Autoklav) werden rund 250 kWh benoumltigt Wird von einem kalten Betriebszu-stand ausgegangen sind rund 1rsquo500 kWh notwendig Der Jahresbedarf wird auf rund 600 MWh ge-schaumltzt Der Waumlrmebedarf der Stallungen sowie der Futterkuumlche liegt gemaumlss fruumlheren Erhebungen bei rund 2rsquo200 MWh Der Bedarf fuumlr das neue Betriebsgebaumlude sowie die Buumlroraumlumlichkeiten werden auf rund 1rsquo000 MWh geschaumltzt Gesamthaft ist von einem jaumlhrlichen Waumlrmebedarf von maximal 5rsquo000 MWh auszugehen Dieser Be-darf kann auch bei einer 50 Auslastung des BHKW problemlos gedeckt werden Fuumlr das naumlchste Jahr ist ein vermehrter Betrieb des BHKW vorgesehen und es ist davon auszugehen dass der Heizoumllverbrauch gegen Null gehen wird Zudem soll die Uumlberschusswaumlrme fuumlr eine allfaumlllige Trocknungsanlage eingesetzt werden

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

4648

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Energiebilanz Fuumlr die Anlage die aktuell noch nicht ausgelastet ist werden die durchschnittlichen Werte des Mess-jahres fuumlr die Berechnung der Energiebilanz eingesetzt Annahmen Konversion Elektrischer Wirkungsgrad BHKW 40 Thermischer Wirkungsgrad BHKW 50 Verluste BHKW 10 Heizwert Biogas bei 6314 Methan 63 kWhm3 Heizwert Heizoumll 10 kWhkg Input Total verarbeitete Biomasse 14rsquo100 Tonnen frisch Durchschnittlicher Gasertrag 110 m3 Tonne frisch Input aus erneuerbaren Energietraumlgern 9rsquo771 MWh Input Heizoumll (fuumlr Umstellungszeit) 60000 kg bzw 600 MWh Eigenverbrauch Strom 1rsquo049 MWh Jaumlhrlicher Waumlrmeverbrauch maximal 5rsquo000MWh thermisch Output Stromproduktion (Messkampagne) 3rsquo875 MWh elektrisch Waumlrmeproduktion maximal (Messkampagne) 8rsquo780 MWh thermisch Input Output Waumlrmenutzung (genutztproduziert) 57 Stromnutzung (genutztproduziert) 27 Netto-Stromproduktion 2rsquo826 MWh elektrisch Uumlberschuumlsse und Verluste 2rsquo780 MWh thermisch Im Messjahr substituiertes Heizoumll 1rsquo600 MWh (160000 kg)

Abbildung 11 Grafische Darstellung der Energiefluumlsse waumlhrend der Messperiode

nicht handelbarer erneuerbarer Energieverbrauch

(Sonne Umweltwaumlrme usw)

Verbrauch erneuerbarer Energietraumlger

Verbrauch nicht erneuerbarer Energietraumlger

Endenergie-verbrauch

Total

Anlage zurNutzung vonerneuerbaren

Energietraumlgern

P tot W

P tot E

P nk W

P nk E

Energie-Input Energie-Output

Verluste bis Stufe Waumlrmespeicher in der Zentrale

E tot W

StromproduktionTotal

E tot W

produzierteWaumlrme

E nk E Stromproduktion aus

erneuerbaren Energietraumlgern Stromproduktion aus nicht

erneuerbaren Energietraumlgern E nk W

genutzte Waumlrme aus erneuerbaren Energietraumlgern

genutzte Waumlrme aus nicht erneuerbaren Energietraumlgern

genutzteWaumlrme Total

an die Umwelt abgefuumlhrte Uumlberschusswaumlrme

9710000 kWh

600rsquo000 kWh

10310000kWh 5rsquo051000 kWh th

740000kWh

600000 kWh

5rsquo000000 kWh

0 kWh

3870000 kWh

100000 kWh

40

50

angenommener WirkungsgradBiogasanlage50 fuumlr Waumlrme 40 Strom10 Verluste

4548

Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

4648

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 47: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt MBR ARGE MBR

Diskussion und Schlussfolgerungen

Der groumlsste Teil der Anlage laumluft seit einem Jahr zufriedenstellend Der Betrieb wurde jedoch durch zwei mangelhafte Komponenten beeintraumlchtigt Die Fest-Fluumlssig-Trennung (Dekanter) und die Abluft-reinigung Beide Komponenten beeinflussen den Betrieb des MBR-Verfahrens entscheidend Ohne Dekanter konnte die Ultrafiltration nicht betrieben werden und damit auch kein Retentat in den Fer-menter zuruumlckgefuumlhrt werden Dies ist jedoch der wesentliche Prozess beim MBR Zudem konnten waumlhrend der Havarie auch keine weiterfuumlhrenden Trennprozesse betrieben werden Die Produktion von Fluumlssigduumlnger viel damit von April bis Oktober ebenfalls aus

Durch die eingeschraumlnkte Funktion der Abluftreinigung wurde ab Oktober die Annahme von Material fuumlr die rote Linie gedrosselt Infolge der starken Geruchsentwicklung muss diese Anlagenkomponente vorerst ersetzt werden bevor der Vollbetrieb wieder aufgenommen werden kann Durch die Drosse-lung der roten Linie ist ein Einbruch bei der Biogasproduktion wahrscheinlich

Zur Beurteilung des MBR stehen demnach nur folgenden Zeitraumlume zur Verfuumlgung Dezember 2006 bis anfangs Maumlrz 2007 Da sich die Anlage in dieser Zeit noch in der Einfahrphase befand kann der Anstieg der Gasproduktion nicht explizit dem MBR-Verfahren zugeordnet werden Zwischen Maumlrz und Mitte Oktober wurde die Anlage als konventionelle Biogasanlage betrieben Nach Mitte Oktober wurde der MBR-Betrieb wieder aufgenommen Da aber wegen der auftretenden Geruchsproblematik die rote Linie gedrosselt wurde ist auch in diesem Zeitraum keine gesicherte Aussage bezuumlglich MBR moumlg-lich Im Oktober ist eine kleiner Anstieg zu verzeichnen Ob dies dem MBR-Verfahren zugeordnet werden kann ist nicht nachweisbar

In den kurzen Zeitraumlumen kann lediglich die Funktionstuumlchtigkeit und Praxistauglichkeit beurteilt wer-den Beides ist bis anhin gegeben Bezuumlglich Energieverbrauch steigt beim MBR-Betrieb der Eigen-verbrauchsanteil um rund 20 MWh pro Monat oder um rund 30 an Auf der anderen Seite fehlt aber infolge der kurzen konstanten Betriebsphasen die Moumlglichkeit auch eine gesteigerte Gasproduktion nachweisen zu koumlnnen

Es ist festzuhalten dass erst nach der Messkampagne ein ausreichend stabiler Betrieb auch aussa-gekraumlftigere Ergebnisse liefern kann Durch die Aufzeichnungen ist zumindest der Betrieb als konven-tionelle Biogasanlage dokumentiert und allenfalls spaumlter zu Vergleichszwecken dienlich

Handlungsbedarf

Sobald nach Behebung der mangelhaften Komponenten ein uumlber laumlngere Zeit stabiler Anlagenbetrieb gewaumlhrleistet ist wuumlrde die Fortsetzung der Messkampagne als sinnvoll erachtet

Die Verwertbarkeit unterschiedlichen Biomassesortimente im MBR-Verfahren sollte weiter gepruumlft werden Eine Interpretation unterschiedlicher Biomassesortimente bezuumlglich MBR-Verwertbarkeit ist bis heute nicht vorhanden

Da die Forschungsresultate nur beschraumlnkt auf Praxissubstrate uumlbertragbar sind sollten hier vertiefte Untersuchungen in Zusammenhang mit der Pilotanlage folgen Dies bedingt eine genauere Analytik der Stoffstroumlme auf der Pilotanlage

4648

Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000

Page 48: 100517 100516 SB 150640 Membran Bioreaktor MBR Gesamter … · Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE MEMBRANBIOREAKTOR

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Projekt Membranbioreaktor (MBR) J-L Hersener ingenieurbuumlro HERSENER U Meier MERITEC GmbH

Literatur

[1] Membranevaluation zur Vergaumlrung von Guumllle im Membranbioreaktor (UF-Membran) Hersener Meier 2003

[2] Bundesamt fuumlr Statistik BFS Statistisches Lexikon der Schweiz 2003

[3] Potenziale zur energetischen Nutzung von Biomasse in der Schweiz INFRAS et al im Auftrag des Bundesamt fuumlr Energie BfE 2004

[4] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2005 Bundesamt fuumlr Energie BfE 2006

[5] Pruumlfung von Moumlglichkeiten eines verbesserten Guumlllemanagements in tierintensiven Gebieten Ein mo-dellgestuumltzter Bewertungsansatz Heeb et al im Auftrag des Kanton Luzern 2003

[6] Oumlkobilanz der Stromgewinnung aus landwirtschaftlichem Biogas Edelmann et al im Auftrag des Bun-desamt fuumlr Energie BfE 2001

[7] Guumlllenseparierung Eine Technik zur Verbesserung der Guumllleneigenschaften Meier FAT-Berichte Nr 445 Hrsg Eidg Forschungsanstalt FAT 1994

[8] Membrantrennung von Guumllle Meier et al Eidg Forschungsanstalt FAT im Auftrag des KTI 1995

[9] Ackermann P Das BIOSCAN-Verfahren zur Vergaumlrung und Guumllleaufbereitung Vortrag anlaumlssl der Biogastagung am 27012000 im Haus Duumlsse 2000

[10] kvg Kartoffelverwertungsgesellschaft Cordes und Stoltenburg Schleswig und BIZ Biomasse Infozent-rum Universitaumlt Stuttgart

[11] Vergleich von Energieumwandlungsverfahren fuumlr Guumllle (ENKON) Hersener j-L Meier U im Auftrag des Bundesamtes fuumlr Energie Schlussbericht 2002

[12] Water Recycling and Reuse by Application of Membrane Bioreactors Textile and Municipal Wastewater as Examples Summary report MBR-Recycling Technische Universitaumlt Clausthal 2003

[13] Application of Anaerobic-UF Membrane Reactor for Treatment of a Wastewater containing high strength particulate Organics Harada H Momonoi K Yamazaki S Takizawa S Water Science Technology Vol 30 No 12 1994

[14] Verminderung von Abfallemissionen aus wasserintensiven Produktionsprozessen durch Membrantrenn-verfahren und biologische Reinigung Menner M Bez J Pauly D BayFORREST-Forschungsvorhaben F 183 Hrsg Bayerisches Staatsministerium fuumlr Landesentwicklung und Umweltfragen Muumlnchen 2001

[15] Muumlndl Mitteilung Fuchs W IFA Tulln 2006

[16] Biogas ndash Praxis Schulz H 1996

[17] Ultrafiltration anaeroben Schlammes Roumlhricht M Zentrum fuumlr Umwelttechnik FH-Giessen-Friedberg Forschungsbericht 2000

[18] Sludge activity and cross-flow microfiltration ndash a non-beneficial relationship Brockmann M Seyfried CF Water Science and Technology Vol 34 No 9 1996

[19] Biogas Handbuch Wellinger A et al 1991

[20] Landwirtschaftliche Co-Vergaumlrungs-Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 512 1998

[21] Vergaumlrung organischer Reststoffe in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Baserga U FAT-Bericht Nr 546 2000