Projekt 25907/01

Modellhafte Umsetzung eines weitgehend autarken Energie- und Stoffkreislaufmanagements bei der Behandlung von Spülwasser und Gemüseresten in der Lebensmittelindustrie am Beispiel eines Gemüse verarbeitenden Betriebes

Projektdurchführung

LimnoTec Abwasseranlagen GmbH
Eickhorster Str. 3
32479 Hille

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Vorhabens sollte am Beispiel eines Gemüse verarbeitenden Betriebes gezeigt werden, dass mit Hilfe eines innovativen Verfahrenskonzeptes der Wasserkreislauf geschlossen werden kann. Die Verfahrenskombinationen wurden so gewählt, dass
1. das aufbereitete Abwasser intern als Betriebswasser wieder genutzt werden kann,
2. mit integrierten Anaerobverfahren Energie für die Strom- und Wärmeproduktion gewonnen wird, die den Eigenbedarf der Anlage übersteigt,
3. die Nährstoffe in den Reststoffen konzentriert als Düngemittel zurück gewonnen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Input-Substrate, das Spülwasser und die organischen Reststoffe wurden in einer speziellen neuartigen kombinierten mesophil/thermophilen Vergärungsanlage (FAR-SBR) vorbehandelt zwecks weitest gehender CSB-Elimination bei gleichzeitiger Biogasgewinnung. Mittels Intensivmesskampagnen vor Ort sowie anaeroben Batch-Versuchen wurden Stoffumsatzbilanzierungen durchgeführt. Diese dienten nachfolgend der Kalibrierung eines anaeroben Simulationsmodells (ADM 1), das wiederum für vergleichende Optimierungs-Simulationen genutzt werden sollte. Das im Rahmen der nachfolgenden Reinigungsschritte entstehende Umkehrosmose-Konzentrat sollte in die ausgefaulten Gärreste hineingewaschen werden zwecks Konzentrierung und Minimierung des anfallenden Düngekonzentrates. Dieser neuartige Prozessschritt sollte groß- und messtechnisch optimiert werden, insbesondere unter Zuhilfenahme paralleler Hydrauliksimulationen. Ein Teilstrom des Gärresttrübwassers sollte mit einer neuartigen high rate algal pond Technologie behandelt werden. Der Prozess wurde mittels Intensivmesskampagnen optimiert, mit dem Ziel der exakten Bilanzierung der Stickstoff-, Phosphor- und Kohlenstoffumsetzraten, sowie dem Abgleich mit einem neu zu entwickelnden Algen-Simulations-Modell. In diesem Modell wurde zudem eine Hydraulikkomponente integriert, um eine optimierte Algen-Wasser-Trennung genau abbilden zu können.


Ergebnisse und Diskussion

Die geplante Großanlage der Firma Meyer Gemüseverarbeitung GmbH konnte in großen Teilen wie geplant realisiert werden. Die Biogasproduktion des thermophilen Fermenters lag mit 5 - 15 % höher als die des mesophilen und korrelierte sehr gut mit den im Detail durchgeführten N-Bilanzierungen. Das Verhalten der zu den Fermentern gehörigen FAR wurde unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Betrieb der Gas- bzw. Umwälzpumpe) genau untersucht. Die Unterschiede zwischen den beiden FAR waren erheblich. Der mesophile FAR erreichte eine 15 %ige Faulschlammanreicherung. Der thermophile FAR erbrachte immerhin eine Faulschlammanreicherung von rund 50 %. Bei beiden Fermentern waren Schwimmschlammbildung und die hohe Viskosität des Gärrestes die Hauptprobleme.

Die Hauptprobleme der Großanlage lagen in der hohen Viskosität der Gärreste, sowie in den hohen Werten für den gelösten CSB (etwa 4.000 - 6.000 mg/l). Diese führten nicht nur zu einer suboptimalen Faulschlammanreicherung in den FAR, sondern auch dazu, dass der gelöste CSB nach aerober Endbehandlung des gesamten Gärrestes immer noch 700 - 1200 mg/l betrug. Dies bewirkte auch im Klarwasser eine sehr hohe Viskosität. Die Ultrafiltrationsstufe des MBR erwies sich deshalb nach kurzer Zeit als nicht betreibbar. Deshalb war zur Erreichung von Vorfluter geeignetem Klarwasser ein Umbau der Anlage erforderlich.

Das Massenalgenkulturbecken konnte aufgrund technischer und verfahrenstechnischer Probleme erst spät in Betrieb gehen und deshalb nicht mehr beprobt werden. Ergänzend wurde ein umfassendes theoretisches Modell auf Basis der sehr spezifischen großtechnischen Geometrie und Hydraulik hierzu entwickelt. Versuche nach Abschluss des Vorhabens haben ergeben, dass das Wachstum planktischer Al-genmassenkulturen nur vermieden werden kann, wenn die hydraulischen Aufenthaltszeiten im MAK unter einem Tag gehalten werden.

Zusammenfassend wurde eine über 80 %ige Umsetzung der CSB-Zulauffrachten in Biogas errechnet, während weniger als 10 % unter Energieverbrauch aerob zu CO2 umgesetzt werden. Die restlichen ca. 5 % verbleiben im landwirtschaftlich verwerteten Gärrest, etwa 25 m3/d mit 4 % TS.
Der Phosphor wird zu 99,9 % mit dem Gärrest zurückgewonnen; das ist allerdings nur auf Grund der Nachfällung möglich. Der Stickstoff wird nur zu etwa 40 % mit dem Gärrest zurück gewonnen. Weniger als 1 % N werden in die Vorflut abgegeben, die restlichen rund 65 % werden mittels Nitrifikation/Denitrifikation eliminiert. Die Behandlungsanlage produziert ca. 200 - 280 Nm3/h Biogas mit im Mittel 51 % Methan. Das ergibt eine elektrische Energieproduktion von 400 - 512 kWel. Ein Teil der Abwärme wird für die Erwärmung der beiden Fermenter benötigt, der Rest wird innerbetrieblich genutzt und von der Stadt Twistringen abgenommen. Die Energiebilanz der Anlage ist sehr positiv, da nur rund 15 % der produzierten elektrischen Energie als Eigenverbrauch zu Buche schlägt. Bei Betrieb der Umkehrosmoseanlage steigt dieser Wert noch etwas an.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Dem Projekt wird seitens der Fachwelt ein sehr großes Interesse entgegengebracht. Sechs wissenschaftliche Artikel im Rahmen von internationalen Symposien sind daher bereits verfasst worden. Zudem wurden vier Diplomarbeiten im Rahmen des Projektes bearbeitet.
Auch der Betreiber der Anlage nutzte Projektfortschritte für seine Öffentlichkeitsarbeit, so z. B. die Wärmeabgabe an das örtliche Freibad, die mit Presseberichten begleitet wurde.


Fazit

Die im Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass das neu eingeführte Energie- und Stoffkreislaufmanagement durch die energetische Nutzung von Produktionsabfällen und die Reinigung des Abwassers bei gleichzeitiger Rückgewinnung der Nährstoffe den Projekt-Betrieb von externen Ressourcen entkoppeln und zu einer Kostensenkung führen konnte. Speziell der Wasserkreislauf konnte geschlossen wer-den: Die Abwässer werden nicht mehr an die kommunale Kläranlage abgegeben. Gleichzeitig schont die Wiederverwendung des Prozesswassers die Ressource Frischwasser.

Aufgrund des komplexen Aufbaus jeder einzelnen Komponente und Wechselwirkungen untereinander wurden im Laufe des Projektes mehrfach Anpassungen nötig, die einen großen Erkenntnisgewinn brachten. Speziell das Potenzial der Algenmassenkultur ist bisher nicht ausgereizt und verspricht gute Ergebnisse bei weiterer Erforschung.