Endbericht - Abfall- und Stoffflusswirtschaft für Steiermark

INSTITUT FÜR ANGEWANDTE MIKROBIOLOGIE
Universität für Bodenkultur
Ass.Prof.Univ.Doz.DI. Dr. Rudolf BRAUN
A-1190 Wien, Nußdorfer Lände
11
Telefon 36 92 924 - 408
Fax 36 92 924 - 400
C:\IFA\BIOGAS\STUDIEN\FLOTAT\RICHTLIN.DOC
Empfehlungen für Kläranlagenbetreiber und
Betreiber landwirtschaftlicher Biogasanlagen zur Verwertung biogener
Abfälle in Faultürmen
Braun, R.; Himmel, W.; Steyskal, F. und Steffen R.
06.02.96
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen und Symbole ___________________________________________________ 4
1 Zielsetzungen der Empfehlungen _____________________________________________ 5
2 Der Anaerobprozeß ________________________________________________________ 5
2.1 Zielsetzung des Faulungsprozesses ________________________________________________5
2.2 Mikrobiologische Grundlagen ____________________________________________________6
2.3 Energiegehalt von Biogas ________________________________________________________8
2.4 Anaerobe Prozeßführung _______________________________________________________10
2.4.1 Vorteile der Faulung ________________________________________________________________10
2.4.2 Nachteile der Faulung _______________________________________________________________12
3 Co-Substrate für die Faulung_______________________________________________ 13
3.1 Biogene Abfälle _______________________________________________________________13
3.2 Anforderungen an Co-Substrate für eine Übernahme _______________________________15
3.2.1 Anforderungen an die kontinuierliche Übernahme _________________________________________16
3.2.2 Wassergehalt ______________________________________________________________________16
3.2.3 Nährstoffgehalt (Wertstoffgehalt) ______________________________________________________17
3.2.4 Nährstoffverhältnis _________________________________________________________________17
3.2.5 Potentielle Schad- und Störstoffe ______________________________________________________17
3.2.6 Seuchenhygiene____________________________________________________________________19
4 Technische Voraussetzungen für eine Cofermentation __________________________ 19
4.1 Betriebsparameter_____________________________________________________________19
4.1.1 Hydraulische Verweilzeit ____________________________________________________________20
4.1.2 Temperatur _______________________________________________________________________21
4.1.3 Raumbelastung (organische Belastung des Reaktorvolumens)________________________________21
4.1.4 Biogasverwertung __________________________________________________________________21
4.1.5 Faulraumumwälzung________________________________________________________________22
4.1.6 Lagerkapazitäten ___________________________________________________________________22
4.2 Anlagenkonzepte ______________________________________________________________22
4.2.1 Kommunale Kläranlagen_____________________________________________________________22
4.2.2 Landwirtschaftliche Biogasanlagen ____________________________________________________23
2
5 Betriebssicherheit ________________________________________________________ 24
5.1 Überlastung der aeroben Stufe __________________________________________________26
5.2 Faulraumumwälzung __________________________________________________________26
5.3 Schadstoffe ___________________________________________________________________26
6 Bilanzierungsbeispiele ____________________________________________________ 27
6.1 Grundlagen __________________________________________________________________27
6.2 Auslegungsbeispiel 1 ___________________________________________________________28
6.3 Auslegungsbeispiel 2 ___________________________________________________________29
6.4 Zugabe von 5 % Flotatschlamm _________________________________________________29
6.5 Zugabe von 20 % Flotatschlamm ________________________________________________29
6.6 Spezifische Biogaserträge biogener Abfälle ________________________________________29
7 Rechtliche Rahmenbedingungen ____________________________________________ 29
7.1 Abfallrechtliche Zuordnung von Co-Substraten ____________________________________29
7.1.1 Substrate bzw. Co-Substrate, die nicht als Abfälle im Sinne des AWG gelten ___________________30
7.1.2 Co-Substrate, die als nicht gefährliche Abfälle eingestuft sind _______________________________32
7.1.3 Co-Substrate, die als gefährliche Abfälle eingestuft sind ____________________________________33
7.2 Grundregeln für die Übernahme von Abfällen _____________________________________35
Literaturverzeichnis ________________________________________________________ 36
Anhang ___________________________________________________________________ I
3
Abkürzungen und Symbole
Symbol
Name
Einheit
Erklärung
a
Jahr
AWG
Abfall-WirtschaftsGesetz
Bundesgesetzblatt
BHKW
Block-Heiz-KraftWerk
Gasmotor-Generatoreinheit
BG
Biogas
BR
Raumbelastung
CH4
Methan
C:N
Kohlenstoff zu Stickstoff - Verhältnis
Wert- oder Nährstoffgehalt eines Substrates
Cs 137
Caesium 137
Isotop des Elements Caesium mit dem
Atomgewicht 137
CSB
Chemischer
Sauerstoffbedarf
d
Tag
et al.
et alii
E
Energieinhalt
kWh bzw. J
gesamter chemischer Energieinhalt
eE
elektr. Energie
kWh bzw. J
über den Wirkungsgrad prod. elektr. Energie
tE
therm. Energie
kWh bzw. J
über den Wirkungsgr. prod. therm. Energie
EGW
Einwohnergleichwert
GV
Glühverlust
ha
Hektar
nCi
nanoCurie
Curie
Aktivität einer radioaktiven Substanz
Nm³
Normkubikmeter
m³
Volumen bez. auf 0°C und 1013,25 mbar
OTS
Organische
Trockensubstanz
%
Gewichtdifferenz zwischen der TS und der
Asche (bei 600°C geglüht) bezogen auf das
Gewicht des Frischsubstrates
PG
Gasproduktivität
m³/m³ (* d)
Gasmenge pro Faulraumvolumen (und Tag)
θ
Hydraulische
Verweilzeit ‘theta’
d
Faulraumvolumen/Frischsubstratmenge
bzw. Substratkonz./Raumbelastung
TKV
Tierkörperverwertung
TS
Trockensubstanz
%
Gewicht des Substrates nach der Trocknung
bei 105°C bez. auf das Gewicht des
Frischsubstrates
V
Volumen
m³
YG
Biogasausbeute
m³/kg OTS
%v/v
Volumsprozent
%
kg OTS/m³ (* d)
mg O2/l
bzw. kg O2/m³
OTS-Fracht pro Faulraumvol. (und Tag)
Menge an in einem bestimmten Volumen
enthaltener chemisch oxidierbarer Substanz
(lateinisch) und andere
Dimensionsgrundlage einer Kläranlage
%
Menge an organischer Substanz bezogen
auf die Trockensubstanz (TS)
100m * 100m = 10.000 m²
Gasmenge pro OTS-Fracht
4
1
Zielsetzungen der Empfehlungen
Für Kläranlagenbetreiber mit vorhandenen Einrichtungen zur Klärschlammfaulung
oder für die Betreiber landwirtschaftlicher Biogasanlagen stellt sich oftmals die Frage,
ob überhaupt bzw. in welchem Ausmaß externe Materialien (Co-Substrate) zur
Mitverarbeitung (Vergärung) übernommen werden sollen bzw. welche rechtlichen
und technischen Voraussetzungen bei der Übernahme von externen, biogenen
Abfällen erfüllt werden müssen.
Vielfach ergibt sich für bestehende betriebliche, kommunale oder landwirtschaftliche
Anaerobanlagen die Möglichkeit, durch die Mitverarbeitung energiereicher,
organischer Substrate die Faulgasproduktion beträchtlich zu steigern, was im Falle
einer guten Verwertungsmöglichkeit für diese zusätzlichen Gasmengen sowohl
ökologisch als ökonomisch von Interesse sein kann.
Aus abfallwirtschaftlicher Sicht ist vor allem für bestimmte, leicht abbaubare
organische Abfälle mit einem hohen Wassergehalt eine anaerobe, biologische
Abfallbehandlung von Interesse, besonders dann, wenn die bei diesem Vorgang
entstandenen
Stoffwechselprodukte
(Biogas
und
Faulschlamm)
einer
entsprechenden Verwertung zugeführt werden können.
Die Fachabteilung Ic des Amtes der Steiermärkischen Landesregierung hat daher
Herrn Univ.-Doz. Dr. Rudolf Braun, Institut für Angewandte Mikrobiologie der
Universität für Bodenkultur, mit der Durchführung eines Pilotprojektes beauftragt, bei
dem die Möglichkeit bzw. die Auswirkungen der Mitvergärung von Flotatschlamm aus
einer Geflügelschlächterei an einer kommunalen Kläranlage untersucht werden
sollten. Ein Versuchsreaktor wurde an der Großkläranlage der Stadt Graz Gössendorf mit freundlicher Unterstützung des Kanalbauamtes der Stadt Graz über
den Projektszeitraum von Anfang Dezember 1994 bis Ende Mai 1995 betrieben.
Die Erfahrungen dieser Untersuchungen sowie entsprechende Erfahrungen der
Projektgruppe hinsichtlich der Mitvergärung von Substraten in kommunalen
Kläranlagen sowie in landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden in diesen
Empfehlungen zusammengefaßt. Diese Unterlage soll dem Praktiker einen schnellen
Überblick über relevante Informationen geben, die für eine Entscheidungsfindung von
Bedeutung sind.
2
Der Anaerobprozeß
2.1
Zielsetzung des Faulungsprozesses
Der Anaerobprozeß wird mit unterschiedlichen Zielsetzungen angewendet.
Im Bereich kommunaler Kläranlagen wird der bei der biologischen
Abwasserreinigung anfallende Klärschlamm (Bakterienbiomasse) zur Verringerung
der Geruchsbelästigung und zur Verbesserung der Separationseigenschaften
anaerob stabilisiert. Das bei diesem Prozeß anfallende Faulgas kann an der
Kläranlage als Energieträger zum Antrieb von Gasmotoren (Lufteintrag im
Belebungsbecken), zur weitergehenden Klärschlammtrocknung, zur Verstromung
und zur Beheizung der Gebäude verwendet werden.
Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen wird überwiegend Gülle aus dem Bereich
der Intensivtierhaltung einer anaeroben Behandlung zugeführt. Dadurch kann die
5
Geruchsintensität von Gülle, insbesonders von Schweinegülle, deutlich verringert
und die Düngewirkung verbessert werden. Landwirtschaftliche Biogasanlagen
können aber auch einen wesentlichen Beitrag zur Deckung des elektrischen und
thermischen Energiebedarfes eines landwirtschaftlichen Betriebes leisten. Die derzeit
billig verfügbaren fossilen Energieträger (Erdöl und Erdgas) stehen einer breiten
Anwendung des Anaerobprozesses aus der alleinigen Sicht der Energieversorgung
jedoch im Weg.
Unter Beachtung der Probleme des zunehmenden CO2-Gehaltes in der
Erdatmosphäre ist die Energiegewinnung über einen Anaerobprozeß als
klimaneutral einzustufen, sofern biogene Abfälle Verwendung finden. Das erzeugte
Methan als Abbauprodukt pflanzlicher Ausgangsprodukte (Photosynthese), wird im
Wege der Verbrennung wieder als CO2 der Erdatmosphäre zurückgeführt (Kreislauf).
Eine konsequente Verwertung von biogenen Rohstoffen zur Erzeugung von Biogas
als Energieträger kann somit dazu beitragen, die Anreicherung von CO2 in der
Erdatmosphäre aus fossilen Energieträgern zu reduzieren.
2.2
Mikrobiologische Grundlagen
Die Methangärung (Faulung) als natürlich ablaufender Prozeß tritt in der Natur
überall dort auf wo organisches Material unter Luftabschluß (Sauerstoffausschluß)
gerät. Auf diese Weise hat die Faulung einen erheblichen Anteil am
Mineralisierungsprozeß bzw. Stoffkreislauf der Erde.
Der anaerobe Abbau von organischem Material erfolgt in vier aufeinanderfolgenden
Stufen mit unterschiedlichen Organismengruppen (Fig. 1).
Während der ersten Phase, der Verflüssigungsphase, spalten Mikroorganismen
gelöste und ungelöste Verbindungen, wie Proteine, Fette und Kohlenhydrate durch
Enzyme und bereiten die gelösten Bruchstücke so auf, daß sie ins Zellinnere
aufgenommen werden können.
In der Versäuerungsphase werden in den Zellen durch verschiedene
Umwandlungsprozesse CO2, H2, Alkohole und vor allem organische Säuren
(Fettsäuren) gebildet.
In der nachfolgenden Essigsäure-Phase werden die gebildeten organischen Säuren
weiterverarbeitet. Neben CO2 und H2 wird dabei hauptsächlich Essigsäure gebildet.
Die Spaltung höherer Fettsäuren erfolgt nur dann, wenn der dabei entstehende
Wasserstoff simultan aus dem System entfernt wird. Dies erfolgt durch die parallel
ablaufende Methanbildung.
Die Methanphase als eigentliche Methangärung beschränkt sich auf die Bildung von
Methan aus CO2 und H2, bzw. aus einfachen Verbindungen wie Ameisensäure,
Essigsäure und Methanol, welche aus den Vorstufen anfallen.
6
Polymere Substrate
(Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß)
VerflüssigungsPhase
Bruchstücke und gelöste Polymere
SäurebildungsPhase
H2
CO2
organ. Säuren
Essigsäure
Alkohole
EssigsäurePhase
Essigsäure
Methanogene
Phase
Methan
Fig. 1:
Stufenweiser Abbauprozeß der Methangärung
Dabei ist die Wachstumsgeschwindigkeit der Methanbakterien niedriger als die der
säurebildenden Mikroorganismen. Wie bereits erwähnt gehören die Methanbakterien
zur Gruppe der strikten Anaerobier, d.h. diese Mikroorganismen können nur unter
Sauerstoffabschluß existieren. Unter diesen Bedingungen ist der Energiegewinn für
die Zelle durch den Abbau von organischen Molekülen allerdings viel geringer als
unter aeroben Bedingungen (in Gegenwart von Sauerstoff). Ein Großteil der im
Substrat enthaltenen Energie (ca. 90%) wird in Form von Methan wieder
ausgeschieden und ist somit nicht mehr für das Wachstum der Mikroorganismen
verfügbar.
Aerobe Mikroorganismen oder falkutative Anaerobier (diese können unter aeroben
und anaeroben Bedingungen leben; beispielsweise die säurebildenden
Mikroorganismen) hingegen können den Energieinhalt im Substrat wesentlich
effizienter für die Zellneubildung nutzen. Die umgesetzte Energie wird dabei zum
mikrobiellen Wachstum verwendet. Ein Teil davon wird zusätzlich als Wärme
abgeben (z.B. Komposthaufen).
In Figur 2 (Kap. 2.4.1) wird die Energietransformation unter aeroben und anaeroben
Bedingungen schematisch dargestellt und miteinander verglichen.
Durch diesen Unterschied der Wachstumsgeschwindigkeiten kann bei hohem
Substratangebot die Säurebildung schneller als deren Abbau zu Methan sein und zu
einem starken Absinken des pH-Wertes führen. Das wiederum führt zu einer
7
Hemmung der Methanbakterien und zu Prozeßinstabilitäten, wodurch die Produktion
an Methangas zum Erliegen kommt.
Es gibt eine große Anzahl an weiterführenden Veröffentlichungen zum Thema
Methangärung. Stellvertretend für die Theorie der Methangärung sei auf die Werke
von Braun (1982), Wellinger et al. (1984), auf die Anwendung der
Anaerobtechnologie in der Industrieabwasserreinigung (Atanasoff, 1988), in der
Landwirtschaft (Padinger, 1986; Wenzlaff, 1981; Maurer et al., 1982) sowie in der
biologischen Abfallentsorgung (Steyskal, 1992 und Böhnke et al., 1993) hingewiesen.
2.3
Energiegehalt von Biogas
Bei anaeroben Prozessen werden die Ausgangssubstanzen (Fette, Eiweiß und
Kohlenhydrate) zu Biogas und Wasser umgesetzt, wobei der Energieinhalt der
Ausgangsverbindungen im Stoffwechselprodukt Methan erhalten bleibt. Dieses
Biogas ist ein dem Erdgas ähnliches Gasgemisch dessen Hauptbestandteil Methan
(CH4), und ein geringerer Teil Kohlendioxid (CO2) ist. Das Verhältnis dieser beiden
Gase zueinander hängt von der Substratbelastung und dem Zusammenspiel der
einzelnen Organismengruppen ab. Dementsprechend variiert auch der Energieinhalt
mit der Zusammensetzung des Biogases.
Bei einem durchschnittlichen Methangehalt im Biogas von 70 % CH4 resultiert ein
Energiegehalt von 6,97 kWh pro Nm3 (Tab. 1). Neben diesen beiden
Hauptbestandteilen können je nach Substrat noch Schwefelwasserstoff (H2S),
Ammoniak (NH3) oder andere Gase in geringer Menge vorhanden sein.
Auch die bei der Cofermentation eingesetzten Substrate unterscheiden sich in Bezug
auf ihre Abbaubarkeit und deren Nährwert für die Mikroorganismen. Die
Grundbestandteile der Nahrungsmittel weisen unterschiedliche Energieinhalte auf.
Diese kann man aus einschlägigen Nährwerttabellen entnehmen:
Fette :
rd. 37.800 kJ/kg
energiereichste Nahrungsmittel bei geringstem Wassergehalt
(z.B. Butterschmalz, Gänseschmalz, Leinöl, Lebertran)
Eiweiß
rd. 4.200 kJ/kg
bei mittlerem Wassergehalt von rd. 70 % der TS
(fettfreies Muskelfleisch wie z.B. Hühnerbrust, Filet)
Kohlenhydrate
16.800 kJ/kg
(reiner Kristallzucker, wasserfrei)
Diese Nährwerte lassen sich auch mit den Heizwerten von üblichen Energieträgern
direkt vergleichen:
35.884 kJ/Nm3 (kJ/kg)
42.910 kJ/kg
rd. 15.000 - 16.000 kJ/kg
Methan (Erdgas)
Heizöl extra leicht
Holz (lufttrocken)
8
Für die einzelnen Stoffgruppen lassen sich
Umsetzungsreaktion folgende Kennzahlen ableiten:
bei
theoretisch
vollständiger
Stoffgruppe
Gasertrag
(Liter/kg OTS)
Gaszusammensetzung
Vol-%
Fette
rd. 1.400
70 % CH4 + 30 % CO2
Eiweiß
rd. 1.000
50 % CH4 + 50 % CO2
Kohlenhydrate
rd. 800
50 % CH4 + 50 % CO2
Im allgemeinen liegt der brennbare CH4-Anteil im Biogas bei etwa 60 Vol-%, der
übrige Anteil besteht im wesentlichen aus CO2. Mit dieser Zusammensetzung weist
das Biogas einen Heizwert von 21.500 kJ/Nm3 (bzw. rd. 6 kWh/Nm3) auf.
Die im Substrat enthaltene Energie (Heizwert bzw. Nährwert) wird beim anaeroben
Verfahren von den beteiligten Mikroorganismen nur zu einem geringen Anteil (ca. 10
%)
selbst
verwertet
(langsames
Wachstum
und
nur
geringe
Bakterienbiomassezunahme), da die im Substrat enthaltene Energie zum
überwiegenden Anteil (ca. 90 %) im gebildeten Reaktionsprodukt (Methan) verbleibt.
Bei aeroben Verfahren, wie z.B. der Kompostierung, oder der biologischen
Abwasserreinigung in kommunalen Kläranlagen, werden die im Substrat enthaltenen
organischen Verbindungen (Nährstoffe) vollständig zu CO2 und H2O umgesetzt. Die
im Substrat enthaltene chemische Energie kann somit von den Mikroorganismen
selbst genützt werden, was sich in einem raschen Bakterienwachstum dokumentiert.
Rund 50% der im Substrat enthaltenen Energie wird zur Neubildung von
Bakterienbiomasse genützt, der Rest wird in Form von Wärme freigesetzt (z.B. steigt
im Komposthaufen die Temperartur bis über 70 °C). Das ist auch der Grund, warum
bei der aeroben biologischen Abwasserreinigung etwa 50% der im Abwasser
enthaltenen organischen Fracht als Klärschlamm anfallen.
9
Tab. 1:
Zusammensetzung und Eigenschaften von Biogas und dessen
Einzelkomponenten
Eigenschaft
Volumsanteil im
Biogas [% v/v]
Brennwert
[MJ/m³]
Heizwert, unterer
[MJ/m3]
[kWh/m3]
[kcal/m3]
Explosionsgrenze
[% v/v CH4 in Luft]
Zündtemperatur
[°C]
krit. Druck
[bar]
krit. Temp.
[°C]
Dichte normal
[g/l]
Dichte krit.
[g/l]
Dichteverhältnis
zu Luft
Bestandteil
CH4
CO2
H2
H2S
∼55-70
∼27-44
<1
∼0,5-3
39,82
-
35,88
9,96
8575
-
10,8
3,0
2581
5-15
-
4-80
650-750
100
100
23,9
27,9
22,8
6,33
5449
21,5
5,98
5140
25,1
6,97
6000
4-45
5,4-13,9
585
47
75
-82,5
31
0,72
1,98
162
0,55
700
89
75-89
100
82,5
0,09
1,54
1,2
468
31
349
320
2,5
0,07
1,2
0,94
2.4
Anaerobe Prozeßführung
2.4.1
Vorteile der Faulung
13
Biogas
Biogas
(60% CH4) (70% CH4)
Aus ökologischer Sicht ist der Abbau der organischen Substanz biogener Abfälle
(Mineralisierung) bzw. deren Massenreduktion in der Faulung vorteilhaft. In der
Kläranlage können bestehende Strukturen (Faultürme) in vielen Fällen besser
genutzt werden. Insbesonders im Falle der weitergehenden Abwasserreinigung
(Stickstoffelimination) resultieren höher stabilisierte Klärschlämme mit geringerem
Faulvermögen wodurch oft Faulraumkapazität verfügbar wird. Zusatzstoffe in Form
von biogenen Abfällen sind somit im Sinne der besseren Nutzung bestehender
Strukturen zweckmäßig und haben für den Betreiber den Vorteil höheren
Biogasanfalls.
Die direkte Einbringung von biogenen Abfällen in die Faultürme der Kläranlagen hat
weiters den Vorteil, daß diese Abfälle nicht ins Kanalsystem gelangen und somit
Störungen
wie
Fettaushärtungen
und
Überlastungen
infolge
höherer
Abwasserkonzentration im Belebungsbecken ausgeschlossen werden. Dies ergibt im
Endeffekt auch eine Verringerung der Energiekosten für die Belüftung.
Im Gegensatz zum aeroben Abbau wird der organische Kohlenstoff unter anaeroben
Bedingungen nur zu 5-10 % zum Aufbau neuer Biomasse (Überschußschlamm)
10
verwertet. Beim Hauptprodukt des Stoffwechsels (90-95%) wird energiereiches
Biogas abgegeben (Fig. 2). Biogas kann direkt als Brenngas verbrannt werden, oder
es kann in einem BHKW in elektrische und thermische Energie umgewandelt
werden. Zu dieser letzten Verwertung muß allerdings angemerkt werden, daß nicht
der ganze Energieinhalt rückgewonnen wird, sondern daß ein Teil als Wärme (2/3)
verloren geht. Moderne Kraft-Wärme-Kupplungen haben aber schon einen
Wirkungsgrad für thermische und elektrische Energie von 90%.
Fig. 2:
Vergleich der Energietransformation
anaerober (Faulung) Prozesse
aerober
(Kompostierung)
und
Durch die anaerobe Faulung resultieren eine Abnahme des C:N-Verhältnisses und
eine Reduktion des Trockensubstanzgehaltes. Entsprechende Messungen ergaben
im Durchschnitt einen Abbau der organischen Substanz um 50 - 80 %. Je nach OTSGehalt des biogenen Abfalls verringert sich die Gesamtfracht (TS) erheblich,
wodurch für die Kläranlage letztlich niedrigere Entsorgungskosten resultieren.
Durch die Strukturänderungen des Schlammes im Zuge der Faulung resultiert eine
Verbesserung der Entwässerungseigenschaften des anaeroben Faulschlammes
gegenüber dem aeroben Klärschlamm. Neben der Massenreduktion resultiert daher
noch eine zusätzliche Reduktion der Einsatzmenge von Hilfsstoffen für die
Entwässerung (Flockungsmittel).
Der Überschußschlamm aus einer Methangärung gilt als weitgehend stabilisiert, das
Faulwasser als Flüssigphase muß jedoch einer weitergehenden aeroben Reinigung
zugeführt werden. Schlamm aus einer Faulung muß vor Ausbringung zwecks
Geruchsstabilisierung noch einer mehrtägigen aeroben Nachrotte unterzogen
werden.
11
Nicht zuletzt sollte auch noch darauf hingewiesen werden, daß die Faulung in einem
geschlossenen System stattfindet. Dadurch können auch geruchsintensive Substrate
ohne Belästigung der Anrainer verwertet werden. Durch die Vergärung werden im
Normalfall die Geruchsstoffe großteils abgebaut, sodaß im Anschluß keine
Belästigung mehr feststellbar ist.
Biogene Abfälle werden gegenwärtig in immer stärkerem Maße auch in den
Biogasanlagen landwirtschaftlicher Einzelbetriebe dezentral ausgefault. Diese
Verwertung hat zwar einerseits den Vorteil, daß aufgrund der dezentralen
Behandlung der Transportaufwand minimiert wird und die Gefahr der Kontamination
mit pathogenen Organismen sowie einer Seuchenausbreitung durch die
Beschränkung auf Abfälle aus einem kleineren Einzugsgebiet verringert wird.
Andererseits sollte die landwirtschaftliche Verwertung aber nicht dazu führen, daß die
Biogasanlagenbetreiber zur Entsorgung von undefinierten Abfällen verleitet werden.
Vor allem aufgrund der meistens fehlenden Pasteurisierungseinrichtungen und
analytischen Kontrollmöglichkeiten (Schadstoffe), sind in diesen Anlagen gemischte
Abfälle undefinierter Herkunft nicht zu empfehlen und die geordnete Übernahme in
Kläranlagen vorzuziehen.
Andererseits ist in vielen Fällen die Vergärung von „gefährlichen Abfällen“ gemäß
AWG, wie z.B. die Glyzerinphase aus der Biodieselproduktion als zweckmäßige
Vorgangsweise anzusehen.
2.4.2
Nachteile der Faulung
Durch die Zugabe der Zusatzstoffe kann es bei unzureichender Kontrolle zu einer
Überlastung und somit zu einer pH-Abnahme und im Extremfall zu Störungen des
Faulturms kommen. In diesem Sinne ist zu empfehlen, vor der Übernahme von
biogenen Abfällen die maximale Raumbelastung in Gärtests (Laborversuchen) zu
ermitteln.
Durch flotierende bzw. rasch abbaubare Bestandteile, vor allem durch Fett, kann es
zu Schaumbildung und Schwimmdeckenbildung kommen, wodurch die Ablaufwerte
der Kläranlage (Trübstoffe) verschlechtert werden können.
Durch Feststoffe können Ablauf bzw. Zulaufleitungen verstopft werden bzw. infolge
Belagsbildung zuwachsen.
Durch seuchenhygienisch belastetes biogenes Material wird unter Umständen der
gesamte Faulschlamm kontaminiert. In diesem Fall muß eine Pasteurisierungseinheit (Erhitzung des Materials auf 70 °C während 30 Minuten) nach- oder
vorgeschalten werden. In diesem Fall müßten mikrobiologische Untersuchungen
durchgeführt werden.
Die erforderliche Beheizung des Faulturms auf zumindest 35 °C muß als Nachteil
angeführt werden, da die Wärme im Gegensatz zur Kompostierung nicht von den
Mikroorganismen selber produziert wird. Dadurch ist ein Teil der im Biogas
enthaltenen
Energie
für
die
Substraterwärmung
notwendig.
Dieser
Eigenenergiebedarf kann aber meistens über die Überproduktion an thermischer
Energie aus dem BHKW gedeckt werden.
In diesem Zusammenhang ist aber auch zu beachten, daß die Speicherkapazität für
das Biogas normalerweise begrenzt ist. Die im Normalfall verwendeten
12
Folienspeicher sind meistens auf eine Tagesproduktion ausgelegt. Die
Gasverwertung (im BHKW) muß also dementsrechend ausgelegt sein, sodaß die
Gasmenge kontinuierlich vollständig genutzt werden kann, da eine Speicherung nicht
möglich bzw. sehr kostenaufwendig ist. Für den Fall eines Ausfalles der KraftWärme-Kopplung sollte demnach eine Gasfackel vorhanden sein.
Durch diverse Hemmstoffe (Antibiotika, Desinfektionsmittel, Detergentien) kann der
Stoffwechsel der Mikroorganismen und damit auch der Prozeß gestört werden (siehe
dazu Kap. 3.2). Vor allem bei der Übernahme von Schlachtabfällen sollte diesem
Aspekt Rechnung getragen werden.
Die hemmende Wirkung von Schwermetallen auf die Mikroorganismen ist ohne
Bedeutung, da derartig belastete Abfälle für eine Cofermentation auszuschließen
sind. Dadurch würde das Endprodukt Klärschlamm (Kompost) mit Schwermetallen
kontaminiert werden und wäre daher in der Landwirtschaft nicht mehr verwertbar.
Durch die Vergärung kann es außerdem zu erhöhten Trübwasserkonzentrationen in
Bezug auf den CSB und vor allem hinsichtlich der Stickstoffbelastung in der
Belebung kommen.
3
Co-Substrate für die Faulung
3.1
Biogene Abfälle
Die Bezeichnung Co-Substrate soll zum Ausdruck bringen, daß in bestehende
Anaerobprozesse wie z.B. der Klärschlammfaulung oder der anaeroben
Güllebehandlung in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage bestimmte biogene
Abfälle in untergeordneter Menge beigefügt werden können, um so den Biogasertrag
zu steigern, ohne dabei die Prozeßstabilität zu gefährden. Die Co-Substrate dürfen in
weiterer Folge auch keine nachteiligen Auswirkungen bei der Klär- bzw.
Faulschlammverwertung bewirken. Im allgemeinen wird es sich bei Co-Substraten
um Reste, Nebenprodukte oder Abfälle definierter Herkunft handeln.
Als Co-Substrate kommen somit in erster Linie solche Stoffe in Betracht, die einen
hohen Anteil organisch abbaubarer Substanz aufweisen und aufgrund eines hohen
Wassergehaltes der Kompostierung nicht mehr zugeführt werden können. Basierend
auf der Faulung von Klärschlamm in kommunalen Kläranlagen, bzw. Gülle und Mist
in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, kommen folgende biogene Abfälle für eine
Cofermentation in Frage:
13
• Speisereste (sollten jedoch nach Möglichkeit nach Pasteurisierung verfüttert
werden)
• Rückstände aus der Gemüse- und Obstverarbeitung (sofern nicht kompostierbar)
• Flotatschlämme
• pflanzliche und tierische Öl- bzw. Fettrückstände
• Magen- und Darminhalte (z.B. von Schlachttieren - insbesonders Panseninhalt)
• Rückstände aus der fleischverarbeitenden Industrie
• Nebenprodukte aus der Biodieselerzeugung (Glyzerinphase)
Für verschiedene Materialien sind in den nachfolgenden Tabellen 2 und 3 für den
Anaerobprozeß wichtige Parameter wie z.B. das C/N-Verhältnis, der Wassergehalt,
der Anteil der organischen Trockensubstanz an der Trockensubstanz (TS), sowie
Literaturdaten über Biogasausbeuten zusammengestellt. Diese Werte sind als
Richtwerte zu verstehen.
Tab. 2:
Nährstoffverhältnis, Trockensubstanz (TS) und organische
Trockensubstanz (OTS) verschiedener biogener Abfälle
Material
Papier
Holzhächsel
Blattmaterial
Laub
Sägespäne
Stroh
Holzabfall
Grünschnitt
Rinde
Grasschnitt
Obstabfall
Flotatschlamm
Speisereste
Faulschlamm
Klärschlamm
C:N-Verh.
Wassergeh.(%)
OTS (% der TS)
173
60-150
40 -80
30-60
511
90
723
100-150
20-200 (500)
12-25
35
n.a.
n.a.
15,7
6,3
4-8 (16)
10-30
20
20
20-80
30
30-40
30-40
50
75-80
80-85
88,5
90
92-96
95,5-99,5
74
95
90
90
95
90
99,6
90
90
90
75
97
80
50-60
50-60
14
Tab. 3:
Biogasausbeuten diverser biogener Abfälle (alle Angaben in m³/kg OTS)
Schlempen 1)
Gemüseabfall 1)
Kartoffelkraut 5)
Zuckerrübenblatt 5)
Fettabscheiderrückstände 5)
Alt-Fritier-Fett 5)
Obstabfall 1)
Hausmüll 1)
Flotatschlamm 2)
Grassilage 3)
Maispflanze 3)
Rindermist 3)
Rindergülle 5)
Hühnerkot 5)
Schweinegülle 6)
Weizenstroh (3 cm) 3)
Weizenstroh (0,1-2,0 mm) 3)
Klärschlamm 4)
Panseninhalt 4)
1)
6)
Valkanas, 1984;
Steyskal, 1992;
3.2
2)
Braun et al, 1996;
0,5-0,63
0,52-0,54
0,56
0,50
∼1,20
1,038
0,55-0,62
0,44-0,46
0,6-0,7
0,56
0,75
0,18
0,25
0,45
0,60
0,17
0,33
0,61
0,45
3)
Wellinger et al, 1984;
4)
Wenzlaff, 1981;
5)
Euler et al, 1994;
Anforderungen an Co-Substrate für eine Übernahme
Die Entscheidung zur Übernahme von biogenen Abfällen und die Verfahrenswahl
wird von zahlreichen Faktoren beeinflußt und ist daher im Einzelfall jeweils zu prüfen.
Die wichtigsten Entscheidungskriterien sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Über
nachfolgend angeführte Parameter sollen entsprechende Angaben vorliegen:
• Menge (Masse), die pro Zeiteinheit (z.B. Tag, Woche) bei möglichst
kontinuierlicher Anlieferung übernommen werden soll
• Angaben über die Zusammensetzung:
- Wassergehalt (Gew-%, sollte nicht unter 80% liegen)
- Nährstoffgehalt (abbaubare org. Substanz, OTS in % der TS, sollte über 50%
liegen
- Nährstoffverhältnis (C:N-Verhältnis sollte etwa 15-20:1 betragen)
- Nachweis potentieller Schad- und Störstoffe (z.B. Antibiotika, Schwermetalle,
Schwimmdeckenbildner u.a.m.)
• Hygienische Aspekte (Herkunftsangaben, erfolgte Vorbehandlung etc.)
15
Tab. 4:
Wesentliche Entscheidungskriterien für die Übernahme biogener
Abfälle zur Faulung
Entscheidungsparameter
Richtwerte
1) Wassergehalt
2) Wertstoffgehalt (abbaubare org. Substanz)
3) Nährstoffverhältnisse (C:N-Verhältnis)
4) Desinfektionsmittel
5) Schwermetalle
6) Anfallsmodus der Abfälle
7) Hygiene
3.2.1
80 % bis 99,5 %
≥50% der TS
optimal 20 : 1
siehe Tabelle 5
siehe Tabelle 8
möglichst kont. Anfall
nur hygienisch unbedenkliche
Zusatzstoffe
Anforderungen an die kontinuierliche Übernahme
Die diskontinuierliche Zugabe von biogenen Abfällen ist zwar im Prinzip möglich,
verursacht aber Stoßbelastungen und somit auch eine diskontinuierliche
Gasproduktion. Im Hinblick auf die Verwertung des Biogases sollte, falls möglich, auf
die Dosierung Rücksicht genommen werden.
Inwieweit ein Reaktor Stoßbelastungen ausgleichen kann hängt einerseits von der
aktuellen hydraulischen Belastung, der Raumbelastung sowie von CSB, OTS und
vom pH-Wert der Zusatzstoffe ab und muß im Einzelfall jeweils geprüft werden. Bei
diskontinuierlichem Zugabemodus ist jedoch besonders auf mögliche Störungen der
Faulung zu achten.
3.2.2
Wassergehalt
Bei der Betrachtung der beiden hauptsächlich angewendeten Entsorgungs- bzw.
Verwertungsverfahren, der Kompostierung und der Methangärung, ist der
Wassergehalt maßgeblich für die Verfahrenswahl entscheidend. Je nach
Kornstruktur werden biogene Abfälle mit einem Wassergehalt von über 70 % nur
schlecht oder überhaupt nicht zur Kompostierung geeignet sein und sollten der
Methangärung zugeführt werden. Trockenere Abfälle (H2O - Gehalt kleiner 70-80%)
dagegen müßten vor der Einbringung in eine Biogasanlage entsprechend verdünnt
werden (Wasserzugabe). Derartige Abfälle sind daher vorzugsweise zu
kompostieren.
16
3.2.3
Nährstoffgehalt (Wertstoffgehalt)
Der Wertstoffgehalt eines Abfalls wird im wesentlichen von der organischen
Substanz bestimmt. Biogene Abfälle mit einem OTS-Gehalt von über 90 % der TS
eignen sich dementsprechend besonders gut für die Faulung. Die untere Grenze für
eine sinnvolle Verwertung kann mit etwa 50% OTS Gehalt (% der TS) angegeben
werden.
In Zusammenhang mit dem OTS-Gehalt ist dessen Abbaubarkeit für die
Mikroorganismen wichtig. So besitzt Holzabfall zwar einen niedrigen Wassergehalt
und eine sehr hohe OTS, eignet sich aber kaum zur anaeroben Verwertung, da die
lignininkrustierte Zellulose schwer für Mikroorganismen verfügbar ist. Stroh und
Holzreste sind daher weniger zur Faulung geeignet.
3.2.4
Nährstoffverhältnis
Das Nährstoffverhältnis der biogenen Abfälle, insbesonders das C:N - Verhältnis
(Kohlenstoff- zu Stickstoffgehalt), ist für das Wachstum der beteiligten
Mikroorganismen ausschlaggebend. Das optimale C:N-Verhältnis beträgt etwa 20:1.
Im allgemeinen ist in komplexen Abfällen wie Klärschlamm, Speiseresten oder
pflanzlichen Abfällen das Nährstoffverhältnis ausgeglichen (vergl. Tab. 2). Bei zu
geringem Kohlenstoffgehalt oder zu hoher Stickstoffkonzentration muß jedoch eine
weitere Kohlenstoffquelle zugemischt werden. Bei Stickstoffmangel muß ein
stickstoffreicher Abfall zum Nährstoffausgleich zugemischt werden. Bei speziellen
Abfällen wie Industrieabläufen oder Abfällen mit hohem Zelluloseanteil kann
Stickstoffmangel auftreten. Ein Stickstoffüberschuß tritt selten auf (z.B. Hühnerkot).
3.2.5
Potentielle Schad- und Störstoffe
Die zu übernehmenden Co-Substrate dürfen weder den Anaerobprozeß noch
nachfolgende Verwertungsmaßnahmen z.B. die landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung beeinträchtigen. Als Schad- oder Störstoffe treten neben
Schwermetallen, Desinfektionsmitteln oder Antibiotika fallweise Verunreinigungen
wie Plastikfolien, Papier, Textilien und Knochen auf.
Es ist bekannt, daß bestimmte in der Landwirtschaft verwendeten Antibiotika oder in
der Lebensmittelindustrie verwendeten Desinfektionsmittel eine Störung des
Anaerobprozesses bewirken können. Es ist daher zu prüfen, ob mit dem Co-Substrat
Antibiotika oder Desinfektionsmittel in die Biogasanlage eingeschleppt werden
können. Desinfektionsmittel werden je nach chemischer Struktur im Idealfall
abgebaut oder verbleiben auch unabgebaut im Faulwasser. In Tabelle 5 sind die
Wirkungen einiger Stalldesinfektionsmittel auf den Faulprozeß beschrieben.
17
Tab. 5:
Wirkung von Stalldesinfektionsmitteln auf die Biogasproduktion bei
korrekter Dosierung verglichen zum Kontrollwert ohne Desinfektionsmittelzusatz (Wellinger, 1984)
Keine Hemmung : -; Hemmung zwischen 3 und 10 % : +; 10 und 20% :
++; 20 und 30% : +++ und mehr als 30% : ++++
Handelsname
Hemmung
Betoran 200
Buraton 25
Dekaseptol
Durosept
Incidin 02
Incidin anticoc
Lethane 100
Lysococ
Lysoformin vet.
Lysovet PA
Multifor Des
Pantasept
Tego 51
Tegodor
Weladyn
+
+
++++
+++
+
+++
+
++++
+
+
+
+
Weiters ist vor der Zumischung eines Co-Substrates zu prüfen, ob durch bestimmte
Inhaltsstoffe beispielsweise eine Anreicherung bestimmter Eiweißverbindungen mit
erhöhtem Schwefelanteil, oder durch Zugabe von stark sulfathältigen Abfällen im
erzeugten Biogas mit einer Erhöhung des korrosiv wirkenden und geruchsintensiven
Schwefelwasserstoff (H2S) gerechnet werden muß. Außerdem wirkt der H2S ab
einer gewissen Konzentration hemmend auf die Methanbakterien. In der Literatur
wird die kritische Konzentration vielfach mit 1 Volumsprozent im Biogas angegeben
(Wellinger, 1984). Aus eigenen Erfahrungen konnte aber festgestellt werden, daß
sogar noch Konzentrationen von über 1,5% das Gärverhalten kaum beeinflussen.
Es wird weiters bei der erstmaligen Übernahme eines bestimmten Co-Substrates zu
prüfen sein, ob die gesetzlichen Bestimmungen nach dem Steiermärkischen
Bodenschutzgesetz (LGBl. Nr. 66/1987), der Gülleverordnung (LGBl. Nr. 88/1975)
und der Klärschlammverordnung (LGBL. Nr. 89/1987) sowie die Vorgaben des
Wasserrechtsgesetzes (BGBl. Nr. 215/1959 i.d.g.F.) eingehalten werden können.
Konkret wird in diesen Bestimmungen die maximale Ausbringungsmenge (jährlich
dürfen 1,25 t Klärschlamm-TS /ha Grünland und 2,5 t Klärschlamm-TS/ha Ackerland
ausgebracht werden), die Begrenzung des maximal zulässigen Stickstoffeintrags in
den Boden (max. 210 kg Reinstickstoff pro ha und Jahr - im Grünland) und die
Klärschlammbeschaffenheit
(z.B.
Schwermetallgehalte)
geregelt.
Der
Schwermetallgehalt von biogenen Reststoffen liegt üblicherweise weit unter den
höchsten von der Klärschlammverordnung erlaubten Werten.
Dennoch
führt
die
langfristige
Ausbringung
von
auch
nur
gering
schwermetallbelasteten Schlämmen zu einer Schwermetallakkumulation im Boden.
Es empfiehlt sich daher eine Kennzeichnungspflicht allfällig zu übernehmender
biogener Abfälle und das Anlegen eines Analysenprotokolls.
18
Es ist daher zu prüfen, ob auch der durch die Co-Substratvergärung vermehrt
anfallende Faulschlamm noch gesetzeskonform verwertet werden kann. Im Anhang
werden die gesetzlichen Bestimmungen für die Ausbringung von Klärschlamm und
Gülle sowie die hierzu notwendigen Bodenuntersuchungen genau dargestellt.
Hauptkriterium ist hierbei der Schwermetallgehalt dessen gesetzliche und
mikrobiologische Grenzkonzentrationen (Toxizität) in Tabelle 9 zusammengefaßt
werden.
Weiters ist zu prüfen, ob durch die Einbringung von Co-Substraten vorhandene
Einrichtungen zur Reaktordurchmischung beeinträchtigt werden können (z.B.
Verstopfung von Umwälzpumpen durch Kunststofffolien) bzw. ob mit einer
verstärkten Schwimmdeckenbildung (z.B. durch aufschwimmendes Fasermaterial) zu
rechnen ist. Auf die technischen Voraussetzungen für den Reaktor und die
Prozeßführung sowie die notwendige Infrastruktur wird in Kapitel 4 noch näher
eingegangen.
3.2.6
Seuchenhygiene
Seuchenhygienische Richtlinien werden in den Bodenschutzgesetzen festgelegt.
Dies gilt allerdings nur für die Aufbringung von Klärschlamm und Müllkompost, nicht
für Gülle als Wirtschaftsdünger innerhalb eines Betriebes. Es ist aber zu empfehlen,
diese Bestimmungen auch beim Aufbringen von Faulschlamm aus Biogasanlagen zu
beachten.
Im NÖ Bodenschutzgesetz wird Schlamm als hygienisch einwandfrei definiert wenn
in 1g Schlamm
• nicht mehr als 1000 Enterobacteriaceaen nachweisbar sind,
• keine Salmonellen nachweisbar sind und
• keine ansteckungsfähigen Wurmeier enthalten sind.
Es wird sich daher sinnvoll erweisen, potentiell seuchenhygienisch gefährdete
biogene Abfälle nicht als Co-Substrat zu übernehmen bzw. getrennt von anderen,
unbedenklichen Materialien zu behandeln.
Betriebe die solche Stoffe übernehmen, müssen demnach so konzipiert sein, daß die
Verweilzeit des Gärsubstrats im Fermenter die notwendige Inaktivierungszeit
potentieller Krankheitserreger überschreitet, oder die Betriebstemperatur so gewählt
wird, daß eine thermische Inaktivierung erfolgt. In der Regel ist dies nur im
thermophilen Bereich (≥ 55OC) mit einiger Sicherheit möglich. In jedem Fall ist aber
eine Kontrolle des tatsächlichen Hygienisierungseffektes jeweils fallspezifisch für die
zu übernehmenden Abfälle erforderlich.
4
Technische Voraussetzungen für eine Cofermentation
4.1
Betriebsparameter
Bevor ein biogener Reststoff von einer Kläranlage übernommen werden kann, muß
geklärt werden, ob die Kapazitäten der anaeroben bzw. der aeroben Stufe
19
(Faulwassernachreinigung) ausreichend sind. Die wichtigsten Entscheidungsparameter hierzu sind in der nachfolgenden Tabelle 6 zusammengefaßt.
Tab. 6:
Entscheidungsparameter und Konsequenzen für die Einbringung biogener
Abfälle in Schlammfaultürme und landwirtschaftliche Biogasanlagen
Anlagenparameter
Ausgangszustand
Empfehlung
1) Verweilzeit
(θ)
wenn ≤ 20 Tage
wenn > 20 Tage
keine Zusatzstoffe möglich
Zusatzstoffe bis θ =20 d
2) Temperatur
wenn Betrieb < 30 °C
wenn Betrieb bei 30-37 °C
wenn Betrieb bei 55 °C
Temp. erhöhen
Temp. beibehalten
Temp. beibehalten
3) Raumbelastung
wenn ca. 1 kg oTS x m-3 x d-1
bis ca. 3 kg oTS x m-3 x d-1
4) Aerobe Stufe 1)
wenn voll ausgelastet
wenn teilausgelastet
keine Zusatzstoffe
Zusatzstoffe möglich
5) Gasverwertung
wenn keine Gasverwert.
Ausbau der Gasverw.
6) Faulraumumwälzung
wenn laufend Probleme
mit der Durchm.
zusätzliche
Mischaggregate
7) Annahmestation
wenn Menge < als 5 %
u. nur flüss. Abf.
wenn Menge > als 5 %
wenn pastöse o. feste
Zusatzstoffe
wenn Volumen > 6 Monate
Lagerkapazität
wenn Voumen< 6 Monate
Lagerkapazität
wenn bedenkliche Abfälle
direkte Einleitung
8) Güllelager 2)
9) Hygiene
1)
gilt nur für kommunale Kläranlagen
4.1.1
2)
zusätzl. Puffertank
Aufbereitungsanlagen
Zusatzstoffe möglich
Lagertank vergrößern
Zusatzhygienisierung
gilt nur für landwirtschaftliche Biogasanlagen
Hydraulische Verweilzeit
Aufgrund der bereits in Kapitel 2.2 erwähnten niedrigen Wachstumsgeschwindigkeit
anaerober Bakterien, verläuft der Abbau organischer Substanz in der Faulung relativ
langsam. Erfahrungswerte haben gezeigt, daß bei den normalerweise in Betrieb
stehenden Rührkesselreaktoren (Faultürme) die Verweilzeit des Substrates im
Reaktor bei mindestens 20 Tagen liegen sollte. Nur bei speziellen Reaktorsystemen
konnten Verweilzeiten bis teilweise sogar unter 10 Tagen erzielt werden.
20
Im Normalfall jedoch sollte die nach Zusatz biogener Abfälle resultierende
hydraulische Verweilzeit in Faultürmen zumindest noch über 20 Tagen liegen. Für
landwirtschaftliche Biogasanlagen gilt der gleiche Grenzwert.
4.1.2
Temperatur
Der Faulturm muß bei Zugabe von biogenen Abfällen zumindest im mesophilen
Temperaturbereich (30-37OC) betrieben werden können. Muß eine Hygienisierung
erfolgen, sollte der Faulturm vorteilhafterweise im thermophilen Bereich (55OC)
betrieben werden. Diese Angaben gelten sowohl für kommunale als auch
landwirtschaftliche Biogasanlagen.
4.1.3
Raumbelastung
Hohe OTS-Gehalte erhöhen zwar die Gasproduktion, parallel hierzu wird aber auch
die Raumbelastung erhöht. Es ist daher im Einzelfall jeweils zu prüfen inwieweit die
Faulung, aber insbesonders auch die Faulwassernachreinigung eine entsprechende
Reserve betreffend Abbauleistung aufweist. Weiters ist zu berücksichtigen, daß die
zu entsorgende Faulschlammenge ebenfalls entsprechend zunimmt.
Der Faulturm muß durch langsame, nur schrittweise Erhöhung der Raumbelastung
mit biogenen Abfällen allmählich an neue Substrate adaptiert werden. Ein
Erfahrungswert mit Flotatschlamm aus Schlachtbetrieben hat beispielsweise
ergeben, daß die Raumbelastung letztlich einen Maximalwert von 3 kg OTS * m-3 * d-1
nicht überschreiten sollte. Dieser Wert sollte aber für jedes Substrat einzeln in
Laborversuchen bestimmt werden, wenn ein Betrieb im Bereich der
Maximalbelastung angestrebt wird.
Sollte die aerobe Stufe bereits voll ausgelastet sein, wird es nicht möglich sein
Zusatzstoffe in der Faulung zu vergären, da es im Normalfall zumindest zu einer
mengenmäßigen Erhöhung des Trübwassers nach der Schlammseparation, sowohl
im Absetzbecken, als auch bei einer Kammerfilter- oder Siebbandpresse kommt.
In manchen Fällen, wie beispielsweise bei Flotatschlamm, muß weiters davon
ausgegangen werden, daß das Trübwasser zwar keinen erhöhten CSB, bzw. BSB5
hat, die Stickstoffracht aber sehr wohl erhöht wird.
4.1.4
Biogasverwertung
Bei zusätzlicher Einbringung von biogenen Abfällen kann die Biogasausbeute
beträchtlich ansteigen. Eine Gasverwertung ist daher in jedem Fall erforderlich und
auf die entsprechende Kapazität zu prüfen. Bei der Zudosierung von Flotatschlamm
(20 % Zugabe täglich bezogen auf Klärschlamm) erhöht sich die Biogasmenge
beispielsweise auf das 2 bis 3 - fache. Es muß daher geklärt werden, ob für
Spitzenbelastungen und somit zeitlich etwas verzögertem Spitzengasanfall die
Einrichtungen zur Gasverwertung bzw. die Speicherkapazitäten auf das anfallende
Biogasvolumen ausgelegt wurden.
21
4.1.5
Faulraumumwälzung
Sollte es im Faulraum bereits mit dem vorhandenen Klärschlamm
Mischungsprobleme geben, wäre es nicht sinnvoll Co-Substrate zuzugeben welche
teilweise sehr schlechtes Durchmischungsverhalten zeigen.
Weiters sollte die Co-Substrat-Zugabe nur allmählich gesteigert werden, da neben
der
Schlammbelastung
auch
fluiddynamische
Einflüsse
auf
die
Sedimentationsfähigkeit, die Flotationsneigung, das Entgasungsverhalten und das
Mischverhalten resultieren können. Als vorläufiger Erfahrungswert mit Flotatschlamm
können etwa 20 % Anteil biogener Abfälle (bezogen auf Klärschlamm) als obere
Grenze dienen.
Eine komplette Generalisierung aller Betriebskriterien ist nicht möglich da die
Grenzwerte der Belastung meist anlagenspezifisch sind und von örtlichen
Gegebenheiten wie dem Mischungsverhalten des Faulturms u.a. abhängen.
Als einfache Richtlinie aufgrund der bisherigen Erfahrungen können nachfolgende
Leitsätze dienen:
• Bei einer Zugabe von weniger als 5 % biogenem Abfall zum Basissubstrat wird
kaum eine Zusatzeinrichtung notwendig sein
• Bei einer Zugabe von mehr als 5 % sollte ein fachspezifischer Planer zugezogen
werden
• Bei größeren Zugabemengen oder bei Zugabe von konzentrierten
Industrieabfällen sollten in Pilotversuchen die entsprechenden Erfahrungswerte
erarbeitet werden.
4.1.6
Lagerkapazitäten
Landwirtschaftliche Biogasanlagen benötigen für die Lagerung des Faulschlammes
Endlager mit einer Kapazität von mindestens 6 Monaten. Diese ergibt sich aus der
Bedingung, daß während der Wintermonate keine Gülle auf die Felder ausgetragen
werden darf. Nur während der Wachstumsphase dürfen Düngemittel ausgebracht
werden. Wie bereits erwähnt muß aber auch die zur Verfügung stehende
Ausbringungsfläche der Faulschlammenge entsprechen, da nur eine begrenzte
Menge Schlamm (siehe dazu Anhang) pro Hektar erlaubt ist.
4.2
Anlagenkonzepte
4.2.1
Kommunale Kläranlagen
In Figur 3 wird das Fließschema einer Kläranlage sowie die zusätzlich notwendige
Infrastruktur für die Übernahme von biogenen Abfällen schematisch dargestellt.
In Abhängigkeit von der Homogenität des biogenen Abfalls besteht die
Vorbehandlung im Regelfall aus einem Monomanscher, welcher den biogenen Abfall
zerkleinert und durchmischt.
Der Sammelbehälter für die Co-Substrate sollte die Verarbeitungsmenge von 1-2
Tagen fassen. Eine Überdimensionierung ist zu vermeiden, da es sonst zu einer
22
Vorgärung (Gasbildung) bzw. zur Versäuerung, sowie zu Geruchsentwicklung
kommen kann.
Der Behälter sollte zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen geschlossen
ausgeführt und mit einem Rührwerk versehen sein.
Weiters sollte die Möglichkeit zur Pasteurisierung biogener Abfälle vorgesehen
werden. Vor allem bei Speiseresten oder Schlachthausabfällen (sofern nicht
ohnedies TKV-pflichtig) sollte, infolge der möglichen Anwesenheit von potentiell
pathogenen Keimen, eine Hygienisierung bei 70 °C vorgesehen werden.
Deponie od.
Kompostierung
Zulauf
Kanalsystem
mech.
Reinigung
VKB
Belebungsbecken
Primärschlamm
Biogas
Eindicker
biogene
Abfälle
Fig. 3:
4.2.2
geschl.
Sammelbehälter
Vorbehandlung
Vorfluter
Sekundärschlamm
Prozeßwasser:
Rückführung in
Belebungsbecken
ANAEROBE
LINIE
NKB
Faulturm
Gasspeicher
Eindicker
Kammerfilterpresse
BHKW
Schlammverwertung (ev.
Trockn.)
ZUSÄTZLICHE
INFRASTRUKTUR
Fließschema einer Kläranlage und notwendige Zusatz-Infrastruktur zur
Übernahme von biogenen Abfällen. VKB = Vorklärbecken, NKB =
Nachklärbecken, BHKW = Block-Heiz-Kraft-Werk,
Landwirtschaftliche Biogasanlagen
Die Anlagenkonzepte bestehender landwirtschaftlicher Biogasanlagen sind sehr
vielfälltig. Im Prinzip ist immer eine Vorgrube, mit dem Mindestvolumen einer
täglichen Beschickungsmenge, vorhanden. Durch eine Pumpe wird meistens in
Handsteuerung der Biogasreaktor beschickt. Das Faulwasser läuft im freien Gefälle
in die Nachgrube, die eine Mindestauslegungsgröße gemäß der gesetzlichen
„Nichtausbringungs-bestimmung“ von zur Zeit 6 Monaten haben muß. Beispielsweise
kann bei einem Bestand von 500 Schweinen mit ca. 3 m3 Gülle/Tag gerechnet
werden. Die Güllegrube muß daher in diesem Fall ein Mindestvolumen von 540 m3
haben.
Das Biogas wird in einem Gasspeicher gesammelt und zum jeweiligen Verbraucher
(Gasheizkessel oder BHKW) geführt.
23
Wenn ein Co-Substrat in eine landwirtschaftliche Biogasanlage zudosiert werden soll,
ergibt sich nachfolgendes mögliches Anlagenschema zum Einsatz kommen (Fig. 4).
Gasspeicher
BHKW
Verbraucher
Biogasanlage
Nachgrube
Ausbringung
auf Nutzfläche
LANDWIRTSCHAFTLICHE
BIOGASANLAGE
Stall
Vorgrube
Analysenprotokoll
Externe
Anlieferung
Fig. 4:
Sicherheitskontrolle
Annahmestation
biogene
Abfälle
Zerkleinerung
(optional)
Hygienisierung
(optional)
ZUSÄTZLICHE
INFRASTRUKTUR
Mögliches Ablaufschema einer landwirtschaftlichen Biogasanlage bei
Übernahme zusätzlicher biogener Abfälle; BHKW = Blockheizkraftwerk.
Je nach Anlieferungsmenge der Co-Substrate muß die vorhandene Lagergrube
vergrößert werden.
Zu beachten ist weiters eine allfällige Geruchsentwicklung, da biogene Abfälle,
insbesonders Flotatschlämme und Speisereste, vor allem in der warmen Jahreszeit
sehr geruchsintensiv sind.
Bei stückiger Anlieferung muß eine Zerkleinerungseinheit vorgeschaltet werden.
Gegebenenfalls muß auch eine Behälterreinigung vorgesehen werden.
Bei Annahme von Speiseresten oder sonstigen hygienisch bedenklichen Abfällen ist
eine Hygienisierungseinheit erforderlich.
Da bei landwirtschaftlichen Anlagen eine Ausbringung des Schlammes zumeist auf
landwirtschaftlich genutzten Böden praktiziert wird, ist auch eine Qualitätskontrolle
(N:P:K, Schadstoffe sowie Schwermetalle) empfehlenswert.
5
Betriebssicherheit
Zur
Prozeßkontrolle
können
verschiedene
Parameter
mit
einfachen
Analysemethoden bestimmt werden. Ein guter Indikator für eine Überlastung des
Systems ist der pH-Wert, welcher infolge der Bildung von Säuren während der
Verflüssigungs- und Säurebildungsphase absinken kann, wenn diese von den
Methanbakterien nicht weiterverwertet werden. Der pH-Wert kann einfacherweise mit
handelsüblichen Meßstreifen bestimmt werden, wobei man jedoch den Faulschlamm
24
vorher eine zeitlang absetzen lassen sollte, um das Resultat besser zu erkennen
(Trübung).
Ein weiterer guter Indikator für eine Störung des Prozesses ist die
Gaszusammensetzung. Sinkt der CH4-Gehalt auf unter 60%, so ist das System
entweder schon gestört oder zumindest an der Grenze der Belastbarkeit angelangt.
Der CO2-Gehalt kann über eine einfache Meßapparatur bestimmt werden (Fig. 5).
Fig. 5: Versuchsapparatur zur CO2-Bestimmung im Biogas mittels Absorption
25
Für den Betrieb des Gasmotors bzw. für den störungsfreien Ablauf des
mikrobiologischen Prozesses ist weiters wichtig, daß der H2S-Gehalt nicht über 1,5%
liegt. Für diese Bestimmung können Däger-Röhrchen (Fa. DRÄGER®) verwendet
werden.
In verschiedenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen laufen derzeit Versuche, den
Schwefelwasserstoff durch Einblasen einer geringen Menge Luft ins Biogas zu
eliminieren. Dabei wird H2S durch Bakterien der Gattung Thiobacillus in Gegenwart
von Sauerstoff zu Sulfat (SO42-) umwandelt. Über Erfahrungen mit dieser Methode
kann derzeit noch keine endgültige Aussage getroffen werden. Beim Einblasen von
Luft sind jedoch insbesonders die Explosionsgrenzen von Biogas-Luft-Gemischen (4
- 14 Vol.% Luft) zu beachten.
5.1
Überlastung der aeroben Stufe
Durch den Zusatz von biogenen Abfällen in den Faulturm wird die Gesamtbelastung
der Kläranlage erhöht. Entscheidend hierbei ist, daß das Belebungsbecken nicht
durch das Faulwasser aus dem Faulturm überlastet wird. Laufend zu kontrollieren
sind die eventuelle Erhöhung der Stickstoffracht (NH4+) bzw. eine Erhöhung von CSB
und BSB5.
In einem Pilotversuch konnten nach der Zugabe von Flotatschlamm (20 % bezogen
auf Klärschlamm) nur unwesentlich höhere Trübwasser-CSB-Werte im Faulwasser
nach der Entwässerung mittels Kammerfilterpresse festgestellt werden, als ohne
Zusatzsubstrat.
Die zusätzliche Ammoniumbelastung durch manche biogene Abfälle kann sich
dagegen als problematisch erweisen. Durch die anaerobe Vergärung wird Stickstoff
in Form von Ammonium freigesetzt und im im Faulwasser gelöst. Die Ammonium-,
Nitrat- und Nitritwerte müssen daher im Betrieb kontinuierlich überprüft werden.
Jedes Cosubstrat kann sich aber in dieser Hinsicht anders verhalten und sollte von
Fall zu Fall auch hinsichtlich Trübwasser-CSB bzw. Stickstoffracht neu überprüft
werden.
5.2
Faulraumumwälzung
Die Konsistenz der biogenen Abfälle kann durch Zonenbildung im Reaktor
(Schwimmschlamm, Sinkschichten) einen nachteiligen Einfluß auf den Prozeßverlauf
ausüben. Verschiedene Substrate geringer Dichte (z.B. Flotatschlamm) neigen
infolge Flotation bzw. Gasbindung zur Ausbildung von Schwimmdecken. Diese
bewirken nicht nur eine schlechte Verfügbarkeit der organischen Substanz für die
Mikroorganismen, sondern können auch die freie Entgasung behindern.
Im allgemeinen wird es erforderlich sein bei Zugabe biogener Abfälle die
Mischintensität im Faulturm zu erhöhen.
5.3
Schadstoffe
Eine Hemmwirkung auf die Schlammfaulung wird häufig durch Antibiotika oder
Desinfektionsmittel hervorgerufen. Aus diesem Grund ist eine sorgfältige Auswahl
26
der biogenen Abfälle unter Berücksichtigung deren Herkunft wesentlich für den
störungsfreien Betrieb des Faulturms. Eine entsprechende Eingangsanalyse der
biogenen Abfälle ist unerläßlich.
6
Bilanzierungsbeispiele
6.1
Grundlagen
In der folgenden Tabelle 7 werden einige Berechnungsbeispiele für Faultürme unter
Einbeziehung biogener Abfälle beispielhaft durchgerechnet.
Als Beispiele für die Produktion von Biogas unter Zusatz von biogenen Abfällen
werden zwei Kläranlagendimensionen, nämlich 100.000 EGW bzw. 20.000 EGW
herangezogen.
Die Klärschlammengen ergeben sich aus Praxiserfahrungen. Je nach System mit
oder ohne Stickstoffelimination bzw. geringem oder hohem Industrieabwasseranteil
im Einzugsgebiet variiert der Klärschlammanfall entsprechend.
Hinsichtlich der Energieausbeute wird von modernen Faultürmen und Kraft-WärmeKopplungen ausgegangen.
Zunächst wird in Tabelle 7 das Beispiel einer 100.000 EGW Klärnalage mit
Schlammfaulung berechnet. Die gleiche Berechnung wird anschließend für eine
20.000 EGW Anlage durchgeführt. Als Vergleich dazu folgt die Berechnung mit 5 %
sowie mit 20 % Flotatschlammzugabe und einzelner biogener Reststoffe, wie
Speiseresten und Flotatschlamm.
Als Übersicht wird in der gleichen Tabelle 7 die tägliche Susbtratzugabe, die tägliche
OTS-Fracht,
das
dimensionierte
Reaktorvolumen,
die
voraussichtliche
Biogasproduktion, der gesamte Energieinhalt (E) (bei angenommenem 70%igem
CH4-Gehalt, entspricht 6,97 kWh/m³ Biogas), sowie die aus dem gesamten
Energieertrag produzierte elektrische Energie (eE) (bei angenommenem 30%igem
Wirkungsgrad an eE der Kraft-Wärme-Kopplung) dargestellt. Auf die Angabe der aus
dem BHKW produzierten thermischen Energie (tE) wird hier verzichtet, beträgt aber
bei modernen Anlagen ca. 60% des Energieinhalts des Biogases.
Um den Energieinhalt bzw. das benötigte Reaktorvolumen rechnerisch darzustellen,
wurde mit einem angenommenen Wert von 1 t Speiseresten und Flotatschlamm
gerechnet.
27
Tab. 7:
Bilanzierungsbeispiele für biogene Abfälle im Faulturm von
Kläranlagen
Medium
Menge OTS
[m3/d] [t/d]
Faulturm BG
E
eE
Vol. [m3] [m³/d] [kWh/d] [kWh/d]
100.000 EGW
reiner Klärschlamm
107
2,7
2.200
1.336
9.310
2.793
20.000 EGW
reiner Klärschlamm
21
0,5
440
267
1.861
558
100.000 EGW mit
5 % Flotatschlamm
112,2
3,1
2360
1.613
11.243
3.373
20.000 EGW mit
5 % Flotatschlamm
22,4
0,6
472
323
2.251
675
100.000 EGW mit
20 % Flotatschlamm
128,2
4,4
2850
2.447
17.056
5.117
20.000 EGW mit
20 % Flotatschlamm
25,6
0,9
570
489
3.408
1.022
1
1
1
0,03
0,08
0,08
20
30
30
13
32
52
90
223
362
27
67
109
Einzelsubstrate:
1 t Klärschlamm (5% TS)
von 940EGW
1 t Speisereste (10 % TS)
1 t Flotatschlamm (9% TS)
6.2
Auslegungsbeispiel 1
Bei einer Kläranlage mit 100.000 EGW fallen im Durschnitt etwa 65.000 m3
Klärschlamm mit etwa 3 % TS an. Das sind 1.950 t TS/Jahr mit einem 50 %igen
Anteil an OTS (975 t OTS/Jahr).
Die Auslegungsdaten für den Faulturm errechnen sich nach der Klärschlammenge
nach dem Eindicker. Etwa 5 % TS im Klärschlamm entsprechen demnach 39.000 m3
pro Jahr. Dies entspricht ca. 107 m3 pro Tag, bzw. 5,4 t TS/Tag. Bei einer
hydraulischen Aufenthaltszeit von 21 Tagen ergibt dies ein Faulraumvolumen von
2.200 m3.
Die Biogasausbeute kann mit einem Durchschnittswert von 0,5 m3 Biogas pro kg
OTS angenommen werden, woraus sich eine Jahresproduktion von 975 t OTS * 0,5 *
1000 = 487.500 m3 Biogas ergibt. Umgerechnet auf die Energieproduktion (bei
einem 60%igen CH4-Anteil und einem Energieinhalt von 5,98 kWh pro 1 m3 Biogas),
ergibt sich daraus eine Energiemenge von 2,915.250 kWh/Jahr bzw. 7.990 kWh/Tag.
Mit einer modernen Kraft-Wärme-Kopplung kann somit mit etwa 1,000.000 kWh
elektrischer Energie/Jahr bzw. 2.740 kWh elektrischer Energie/Tag gerechnet
werden.
28
6.3
Auslegungsbeispiel 2
Analog zu Auslegungsbeispiel 1 erfolgt hier die Berechnung der Dimensionen für
eine 20.000 EGW Kläranlage. Für die entsprechend geringere OTS-Menge von 0,5
t/Tag ergibt sich eine Faulraumvolumen von 440 m3. Die entsprechende
Biogasmenge beträgt 267 m3/Tag.
6.4
Zugabe von 5 % Flotatschlamm
Im Beispiel Klärschlamm mit 5 % Flotatschlamm (Tab. 7) zeigt sich, daß mit etwa
20% Gasmehrertrag gerechnet werden kann. Mit dieser Erhöhung kann sowohl bei
einer 100.000 EGW als auch bei einer 20.000 EGW - Kläranlage gerechnet werden.
Der Faulraum darf jedoch mit dem Basissusbtrat (Klärschlamm) nur zu maximal 78%
ausgelastet sein. Ohne Zusatzstoffe sollte die hydraulische Verweilzeit (θ) in diesen
beiden Fällen mindestens 23 Tage betragen.
6.5
Zugabe von 20 % Flotatschlamm
Im Beispiel Klärschlamm mit 20% Flotatzugabe (Tab. 7) erhöht sich der Gasertrag in
beiden Fällen um ca. 83%. Die hydraulische Verweilzeit im Faulturm muß ohne
Zusatzstoffe mindestens 27 Tage betragen. Ist keine Reserve - Faulraumkapazität
vorhanden würde sich das erforderliche Faulraumvolumen auf 2.850 (100.000 EGW)
bzw. 570 m3 (20.000 EGW) gegenüber 2.200 m3 (100.000 EGW) und 440 m3 (20.000
EGW) ohne Zusatz biogener Abfälle, erhöhen.
6.6
Spezifische Biogaserträge biogener Abfälle
Am Schluß der Tabelle 7 sind die aus 1 t Speisereste, Flotatschlamm bzw.
Klärschlamm jeweils erzielbaren Ausbeuten, Energieerträge bzw. das hierfür
erforderliche Faulraumvolumen angeführt. Die aus 1 t jeweils erzielbaren
Biogasmengen liegen mit 32 m³ (Speisereste) bzw. 52 m³ (Flotatschlamm) deutlich
über der Ausbeute bei Klärschlamm (13 m³ Biogas).
7
Rechtliche Rahmenbedingungen
7.1
Abfallrechtliche Zuordnung von Co-Substraten
Für die anaerobe Behandlung kommen in erster Linie landwirtschaftliche
Ernterückstände oder Abfälle aus der Genuß- und Lebensmittelverarbeitung in
Frage, die einen hohen Wassergehalt aufweisen und daher einer aeroben
Behandlung (Kompostierung) nur unter schwierigen Bedingungen zugeführt werden
können.
29
Die Voraussetzung für eine Verarbeitung von Abfällen (landwirtschaftlichen
Ernterückständen, gewerblichen Produktionsrückständen, Küchenabfällen und
Essensresten aus dem Bereich von Großküchen, Kantinen, Bundesheerkasernen
u.ä.) in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage oder in einem Faulturm einer
kommunalen Kläranlage sind:
• die in den Abfällen enthaltene Trockensubstanz muß in einem hohen Ausmaß aus
biologisch abbaubarer organischer Trockensubstanz bestehen, und
• das Substrat muß frei von Verunreinigungen und Störstoffen sein, welche sowohl
den Anaerobprozeß als auch die nachfolgende Verwertung der Faulschlämme in
der Landwirtschaft bzw. die nachfolgende Behandlung des Preßwassers nach der
Klärschlammseparation stören, behindern oder erschweren können.
Bei der Abgrenzung von Abfällen zu Nichtabfällen ist von der Abfalldefinition im
Abfallwirtschaftsgesetz (AWG, BGBl. Nr. 325/1990) auszugehen. Abfälle sind
demnach bewegliche Sachen, deren sich der Eigentümer oder Inhaber entledigen
will oder entledigt hat, oder deren Erfassung und Behandlung als Abfall im
öffentlichen Interesse geboten ist. Eine geordnete Erfassung und Behandlung ist
jedenfalls solange nicht im öffentlichen Interesse geboten, solange sie nach
allgemeiner Verkehrsauffassung in einer für sie bestimmungsgemäßen Verwendung
steht oder solange die Sache nach dem Ende ihrer bestimmungsgemäßen
Verwendung im unmittelbaren Bereich der Betriebsstätte auf eine zulässige Weise
verwendet oder verwertet wird.
Nach dem österreichischen Abfallrecht wird weiters zwischen nicht gefährlichen und
gefährlichen Abfällen unterschieden. Die Zuordnung von Abfällen in die Kategorie der
gefährlichen Abfälle erfolgt durch die Verordnung über die Festsetzung gefährlicher
Abfälle (BGBl. Nr. 49/1991). Nach dieser Verordnung sind alle in der ÖNORM S 2101
(Ausgabe Dez. 1983) angeführten Abfälle den gefährlichen Abfällen zuzuordnen.
Darüberhinaus werden in der Verordnung zur Festsetzung gefährlicher Abfälle
weitere Abfallarten als gefährliche Abfälle festgelegt. So sind aufgrund dieser
Verordnung z.B. Altspeiseöle (Frittierfette) aber auch fetthaltige Rückstände aus
Fettabscheidern als gefährliche Abfälle mittels Begleitschein zu entsorgen.
Als potentielle Substrate für das anaerobe Behandlungsverfahren können aus
abfallrechtlicher Sicht nach den im folgenden Kapitel angeführten Kategorien
unterschieden werden.
7.1.1
Substrate bzw. Co-Substrate, die nicht als Abfälle im Sinne des AWG
gelten
• Landwirtschaftliche Abfälle (z.B. Gülle, Jauche, Ernterückstände)
Gemäß § 2 Abs. 2 AWG (BGBl. Nr. 325/1990) sind landwirtschaftliche
Produktionsrückstände wie z.B. Mist, Jauche, Gülle und organisch kompostierbare
Materialien keine Abfälle im Sinne des AWG, sofern diese im Rahmen eines landund forstwirtschaftlichen Betriebes anfallen und im unmittelbaren Bereich eines (nicht
unbedingt im selben) land- und forstwirtschaftlichen Betriebes einer zulässigen
Verwendung zugeführt werden.
30
Landwirtschaftliche Biogasanlagen bedürfen hinsichtlich der Errichtung und des
Betriebes daher weder einer abfallrechtlichen noch einer gewerberechtlichen
Bewilligung.
Erforderlich ist jedoch eine baurechtliche Bewilligung und in der Steiermark eine
Genehmigung nach dem Steiermärkischen Gasgesetz 1973 (LGBl. Nr. 54/1973
i.d.g.F. LGBl. Nr. 46/1987), sofern mit der Biogasanlage stündlich eine Gasmenge
produziert wird, die einen unteren Heizwert Hu von mehr als 60.000 kcal
repräsentiert. Umgerechnet auf einen durchschnittlichen Methangehalt von 60 % (Hu
der Biogasmischung = 21,5 MJ/Nm³, 1 kcal entspricht 4,184 kJ) entsprechen die
60.000 kcal/Stunde einer Biogasmenge von rund 12 m³/Stunde bzw. einer täglichen
Gasproduktion von etwa 280 m³.
Im Falle der Verstromung und Einspeisung in das Netz wären die
Genehmigungserfordernisse nach dem Steiermärkischen Elektrizitätswirtschaftsgesetz (LGBl. Nr. 77/1981 i.d.g.F. von LGBl. Nr. 87/1993) im Einzelfall mit der
Genehmigungsbehörde (Amt der Steiermärkischen Landesregierung, Rechtsabteilung 3) zu prüfen.
Die (entgeltliche) Entgegennahme von landwirtschaftlichen organischen
Rückständen anderer landwirtschaftlicher Betriebe (z.B. Gülle) begründet nach dem
AWG keine Behandlung als Abfall, sofern diese landwirtschaftlichen Rückstände in
einem land- und forstwirtschaftlichen Betrieb einer zulässigen Verwendung zugeführt
werden.
Nach § 2 Abs. 4 Z 4b GewO 1994 sind Dienstleistungen zur Verwertung von
organischen Abfällen (Sammeln und Kompostieren von fremden, kompostierbaren
Abfällen mit den in der Land- und Forstwirtschaft üblichen Methoden) als
landwirtschaftliches Nebengewerbe zu verstehen und bedürfen somit gemäß § 2
Abs. 1 Z 2 GewO 1994 - unbeschadet weiterer Ausnahmen - grundsätzlich keiner
Genehmigungspflicht. Die Übernahme von Abfällen zur Verarbeitung in einem
Anaerobprozeß, mit dem Ziel sowohl das entstehende Biogas als auch den
anfallenden Faulschlamm zu verwerten, ist in der GewO nicht geregelt, wird jedoch
nach den selben Maßstäben zu bewerten sein.
In der Verordnung, mit der Arten von Anlagen zur Ausübung von Nebengewerben
der Land- und Forstwirtschaft bezeichnet werden, die der Genehmigungspflicht nicht
unterliegen (BGBl. Nr. 543/1994) wurde bestimmt, daß landwirtschaftliche
Kompostieranlagen, die mindestens 300 m vom nächstgelegenen Wohnhaus entfernt
sind, keine Genehmigungserfordernis nach der GewO gegeben ist. Für
Biogasanlagen finden sich in dieser Verordnung keine Bestimmungen. Dazu wird
angemerkt, daß der Verfassungsgerichtshof mit Erkenntnis vom 28. Juni 1995 den §
2 Abs. 5 und 6 als verfassungswidrig aufgehoben hat (BGBl. Nr. 691/1995), wodurch
der angeführten Verordnung die Rechtsgrundlage entzogen worden ist. Somit gibt es
für die Bewilligung von Anlagen zur Ausübung eines landwirtschaftlichen
Nebengewerbes keine Rechtsgrundlage.
31
7.1.2
Co-Substrate, die als nicht gefährliche Abfälle eingestuft sind
• Küchenabfälle und Essensreste
Küchenabfälle aus dem Bereich von Großküchen (Werkskantinen, Krankenhäusern,
Bundesheerkasernen) sind aufgrund der gut abbaubaren organischen Substanz
bestens geeignet, über ein anaerobes Verfahren verwertet zu werden. Der meist
hohe Wassergehalt erschwert eine aerobe Behandlung in Form der Kompostierung
und auch andere Abfallbehandlungsverfahren (z.B. Deponierung bzw. Verbrennung)
sind als unzweckmäßige Verfahren einzustufen.
Küchenabfälle und Essensreste gelten, soweit diese nicht aus geschlossenen
Abteilungen zur Behandlung von übertragbaren Infektionskrankheiten stammen, als
nicht gefährliche Abfälle im Sinne des AWG, da mit der Weitergabe eine
Entledigungsabsicht dokumentiert wird. Küchenabfälle sind nur dann nicht als Abfall
zu werten, wenn diese auf eine zulässige Weise im unmittelbaren Bereich des
Betriebes einer Verwertung z.B. in Form der Verfütterung an Schweine (unter
Beachtung der Bestimmungen nach dem Tierseuchengesetz) oder einer
betriebseigenen Biogasanlage zugeführt werden.
Die Übernahme dieser Abfälle zur weiteren Behandlung (Anaerobprozeß) mit dem
Ziel der Biogasgewinnung und anschließender Verwertung des Faulschlammes als
Düngemittel bzw. als Bodenverbesserungsmittel ist keine abfallrechtliche Bewilligung
nach dem AWG erforderlich, da in diesem Fall von einer stofflichen Verwertung
ausgegangen werden kann (vergl. § 29 Abs. 1 Z 3 AWG).
Mit dem Einbringen von Abfällen in eine Anlage zur stofflichen Verwertung verlieren
diese Abfälle (Altstoffe) ihre Abfalleigenschaft.
Der landwirtschaftliche Betrieb ist im Sinne des § 14 AWG jedoch verpflichtet,
Aufzeichnungen über die übernommenen Abfälle hinsichtlich der Abfallart,
Abfallmenge, Herkunft zu führen und diese über einen Zeitraum von mindestens 7
Jahren aufzubewahren.
Die entgeltliche Entgegennahme von Küchenabfällen und Essensresten durch
Betreiber landwirtschaftlicher Biogasanlagen ist im Sinne des § 2 Abs. 4 GewO 1994
als Ausübung eines landwirtschaftlichen Nebengewerbes zu sehen, deren Ausübung
auch keiner gewerberechtlichen Bewilligung bedarf. Wie bereits ausgeführt, hat der
Verfassungsgerichtshof die gesetzliche Grundlage zur Erlassung einer Verordnung
über nicht genehmigungspflichtige Anlagen zur Ausübung von Nebengewerben in
der Land- und Forstwirtschaft (§ 2 Abs. 5 und 6 GewO 1994) als verfassungswidrig
erkannt und aufgehoben (BGBl. Nr. 691/95).
Bei der Übernahme externer Abfälle zur Verwertung in einer landwirtschaftlichen
Biogasanlage ist zu prüfen, ob es in der Folge bei der Faulschlammverwertung zu
Überschreitungen von Grenzwerten im Sinne des Wasserrechtsgesetzes oder des
Steiermärkischen Bodenschutzgesetzes kommen könnte.
Nach § 32 Abs. 2 lit f Wasserrechtsgesetz 1959 i.d.g.F. bedarf das Ausbringen von
Düngemitteln auf landwirtschaftlichen Nutzflächen einer Genehmigung, wenn
folgende Werte überschritten werden:
• ohne Gründeckung
• mit Gründeckung
175 kg Reinstickstoff / ha * Jahr
210 kg Reinstickstoff / ha * Jahr.
32
Nach dem Steiermärkischen Landwirtschaftlichen Bodenschutzgesetz (LGBl. Nr.
66/1987) und der dazu erlassenen Klärschlammverordnung (LGBl. Nr. 89/1987) ist
die Ausbringung von Klärschlamm und Müllkompost nur dann zulässig, wenn
bestimmte Schadstoffe festgelegte Grenzwerte nicht überschreiten. In der
nachfolgenden Tabelle 8 sind die zulässigen Grenzwerte nach der Stmk.
Klärschlammverordnung dargestellt.
Tab. 8:
Maximal zulässige Schadstoffkonzentrationen im Klärschlamm bzw. im
Müllkompost gemäß Steiermärkischer Klärschlammverordnung
Schadstoff
Konzentration
(mg/kg TS)
Zink
2000
Kupfer
500
Chrom
500
Blei
500
Kobalt
100
Nickel
100
Molybdän
20
Cadmium
10
Quecksilber
10
Arsen (nur im Müllkompost)
20
Radioaktivität (nur im Müllkompost),[nCi Cs 137/kg TS]
200
Für die Ausbringung von Faulschlamm aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen gibt
es im Landwirtschaftlichen Bodenschutzgesetz bzw. in den dazu erlassenen
Verordnungen keine Hinweise. In Analogie zum Klärschlamm und zum Müllkompost
ist jedoch davon auszugehen, daß der Faulschlamm aus Biogasanlagen, der im
Zuge einer Co-Substrat-Vergärung anfällt, den selben qualitativen Anforderungen zu
entsprechen hat.
Weitere nicht gefährliche Abfälle, die sich für eine Co-Substrat-Vergärung bei einer
landwirtschaftlichen Biogasanlage grundsätzlich eignen:
• Grünschnitt und Parkabfälle
• Schlempen aus der Branntweinerzeugung
• Preßrückstände aus der Obstverwertung
7.1.3
Co-Substrate, die als gefährliche Abfälle eingestuft sind
• Altspeiseöl (Frittierfette)
33
• Fett aus Fettabscheidern
• Glyzerinphase als Nebenprodukt der Biodieselproduktion
Altspeiseöl und Fett aus Fettabscheidern sind nicht wegen der chemischen
Beschaffenheit, sondern aufgrund der Verordnung zur Festsetzung gefährlicher
Abfälle der Kategorie der gefährlichen Abfälle zugeordnet. Getrennt gesammeltes
Altspeiseöl kann auf verschiedene Art einer stofflichen Verwertung
(Seifenherstellung, Biodieselproduktion) oder einer thermischen Verwertung
(Verbrennung) zugeführt werden und ist daher als Altstoff im Sinne des AWG zu
klassifizieren.
Anlagen zur Lagerung und Behandlung von gefährlichen Abfällen sind im Falle der
Verwertung von Altstoffen von der Bewilligungspflicht gemäß §28 des AWG
ausgenommen.
Sofern einer überwiegend landwirtschaftlich betriebenen Biogasanlage Altspeiseöl
oder Fettabscheiderinhalte zur gezielten Steigerung der Biogasproduktion (es
handelt sich dabei um eine stoffliche Verwertung!) zugesetzt werden, ist eine
derartige Anlage aus abfallrechtlicher Sicht bewilligungsfrei.
In diesem Zusammenhang wird auf eine Mitteilung des BMU vom 19. April 1994
hingewiesen, daß eine Einbringung von Fettabscheiderinhalten in Faultürme von
Kläranlagen prinzipiell möglich ist. Unter Bedachtnahme auf die für den anaeroben
Abbau in Faultürmen wesentlichen Parameter (eine thermische Verwertung des
Faulgases vorausgesetzt), würde diese Zudosierung die Energieausbeute steigern;
unter diesen Bedingungen (thermische Verwertung des Faulgases) kann bei
ordnungsgemäßem Betrieb derartiger Anlagen von einer Verwertung gesprochen
werden.
Bei der Übernahme von gefährlichen Abfällen, die der Kategorie "Altstoff" zugeordnet
und die als Co-Substrat einer anaeroben Verwertung zugeführt werden, muß der
Betreiber einer landwirtschaftlichen Biogasanlage oder der Betreiber einer
Abwasserreinigungsanlage mit angeschlossener Klärschlammfaulung über eine
Erlaubnis zur Sammlung bzw. Behandlung von gefährlichen Abfällen gem. § 15 AWG
verfügen. Jede Übernahme von gefährlichen Abfällen ist mittels Begleitschein zu
dokumentieren, und der Übernehmer hat gemäß der Abfallnachweisverordnung
durch Übermittlung des Begleitscheines - Blatt 1 binnen 3 Wochen nach der
Übernahme den Landeshauptmann zu informieren.
34
7.2
Grundregeln für die Übernahme von Abfällen
• Die in einem Anaerobprozeß zur Verwertung vorgesehenen Co-Substrate müssen
hinsichtlich ihrer Herkunft aus einem bekannten Produktionsprozeß stammen
und eine definierte Qualität aufweisen.
• Für das Co-Substrat muß vor der erstmaligen Einbringung in den Anaerobprozeß
ein Untersuchungszeugnis vorgelegt werden, in dem die für den Anaerobprozeß
wertbestimmenden Parameter (TS, OTS, C/N-Verhältnis, biol. Abbaubarkeit sowie
etwaige Schwermetallgehalte, Hemmstoffe, Antibiotikareste sowie sonstige
Störstoffe wie z.B. Komponenten mit hohem Schwefelgehalt, die in der Folge
einen erhöhten H2S-Anteil im Biogas verursachen) enthalten sind.
• Die Übernahme von Abfällen zur Mitverarbeitung bzw. Verwertung als Co-Substrat
hat sich sowohl am Aspekt der Gaserzeugung (gezielte Steigerung der
erzeugten Biogasmenge und dessen Verwertung) als auch am Aspekt der
Faulschlammverwertung zu orientieren. Es ist dabei zu beachten, daß es zu
keiner Verletzung wasserrechtlicher, bodenschutzrechtlicher oder abfallrechtlicher
Bestimmungen kommt.
• Vor der Annahme eines bislang im Prozeß nicht eingesetzten Co-Substrates sollte
ein entsprechendes Gutachten eines Sachverständigen über die prinzipielle
Eignung bzw. über das Ausmaß der Zugabe (Dosierung) eingeholt werden.
Dabei ist vom vorliegenden Betriebszustand der Anlage auszugehen.
• Wenn Anaerobanlagen im mesophilen Temperaturbereich (um 35 oC) betrieben
werden (das ist im allgemeinen der Fall!) ist insbesonders bei landwirtschaftlichen
Biogasanlagen vor der Zugabe von Co-Substraten zu prüfen, ob sanitäts- oder
veterinärpolizeiliche Bedenken bestehen.
• Die Übernahme von Co-Substraten sollte nur direkt von Einrichtungen
übernommen werden, die für die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden
Erstuntersuchung garantieren und im Falle von vertragswidrigen Abweichungen
in der Zusammensetzung (z.B. überhöhte Schadstoffgehalte) für Folgeschäden
haftbar gemacht werden können.
35
Literaturverzeichnis
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Verwaltung, Forschung. Ludwig Boltzmann-Inst. f. biol. Landbau und angew.
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organisch hochbelasteter Industrieabwässer“, Dissertation Univ. für
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EULER, H.; KRIEG, A.; BRAUN, M. und KLINGLER, B. (1994): Biogastechnologie
als Beitrag zur nachhaltigen Kreislaufwirtschaft des ländlichen Raumes und der
Kommunen, unter besonderer Berücksichtigung Niederösterreichs. Endbericht
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MAURER, M.; WINKLER, J.P. (1982): Biogas - Theoretische Grundlagen, Bau und
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Niederösterr. und Graz. Institut für Umweltforschung, Elisabethstr. 11, A-8010
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STEFFEN, R. (1993): Modell- und Laborversuche zur Methangärung der Purgiernuß
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STEYSKAL, F. (1992): Biologische Abfallentsorgung und Kreislaufwirtschaft in der
Intensivtierhaltung, Dissertation, Univ. für Bodenkultur, Wien.
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Agricultural Wastes - Local Development in Anaerobic Treatment. Proceedings
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WELLINGER, A.; EDELMANN, W.; FAVRE, R. SEILER, B. UND WOSCHITZ, D.
(1984): Biogas-Handbuch, Grundlagen - Planung - Betrieb landwirtschaftlicher
Anlagen. Verlag Wirz AG, CH-Aarau.
WENZLAFF, R. (1981): Erfahrungen mit Biogas im praktischen Betrieb - Funktionen
und Effizienz einer Biogasanlage. KTBL-Schrift 266, D-6100 Darmstadt.
36
Anhang:
1.
Gesetzliche Bestimmungen für die Ausbringung von
Klärschlamm und Gülle
Klärschlamm
Bei Klärschlamm ist die Ausbringung gemäß den jeweiligen Landesgesetzen
geregelt. Im Landesgesetz der Stmk. 1987 Nr. 66 § 11 wird bestimmt, daß jährlich
höchstens 1,25 t TS je Hektar Grünland und 2,5 t TS je Hektar Ackerland
aufgebracht werden dürfen. Pro Einzelgabe maximal 50 m3 , maximal 2 Gaben. Die
Gesamte TS-Menge kann auf das zweifache erhöht werden, wenn im
vorangegangenen Jahr eine Klärschlammaufbringung unterblieben ist. Weiters muß
ein Zeugnis einer Untersuchungsanstalt über Analysen des Klärschlammes sowie
des Bodens vorhanden sein. (Beilage: Klärschlammuntersuchungsprotokoll).
Untersucht werden gemäß Landesgesetz der Stmk. 1987 Nr. 89 § 1 folgende
Parameter: Wassergehalt, Trockensubstanz, abbaubare organische Substanz,
Gesamtstickstoff, Nitrat, Ammonium, Gesamtphosphor, Kalium, Kalzium,
Magnesium, Natriunm, Eisen, Mangan, Kupfer, Zink, Kobalt, Molybdän, Blei,
Cadmium, Chrom, Nickel, Quecksilber, ph-Wert, Dichte, seuchenhygienische
Unbedenklichkeit und Pflanzenverträglichkeit. Bei Kläranlagen größer als 30.000
EGW werden zusätzlich polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe,
polychlorierte Biphenyle und chlorierte Kohlenwasserstoffe anhand von
ausgesuchten Leitsubstanzen untersucht.
Die Untersuchungshäufigkeit richtet sich nach der Größe der Anlage. Bei Anlagen
von 31 bis 2000 EGW im Abstand von 6 Monaten, bei 2000 bis 10.000 EGW im
Abstand von 4 Monaten, bei 10.000 bis 30.000 EGW im Abstand von 3 Monaten und
ab 30.000 EGW müssen die Anlagen im Abstand von 2 Monaten untersucht werden.
2.
Gülle
Bei Gülle ist die Ausbringungsmenge gemäß Verordnung Nr. 88/1987 nach dem
Stickstoffeintrag definiert. Bewilligungspflichtig wird außerdem das Ausbringen von
mehr als 210 kg Reinstickstoff pro ha und Jahr und das Halten von mehr als 3,5
Dung - GVE pro Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche.
Die Aufbringung von Klärschlamm und Gülle im selben Jahr ist verboten.
I
3.
Bodenuntersuchung
Klärschlamm darf nur auf Flächen ausgebracht werden, die nach den von der
Bundesanstalt für Bodenwirtschaft erstellten Bodenempfindlichkeitskarten als minder
empfindlich oder weitgehend tolerant eingestuft sind.
Weiters sind folgende Parameter zu untersuchen:
organische Substanz; pflanzenverfügbarer P, K, Mg; Karbonate, Kalkbedarf;
austauschbare Kationen Ca, Mg, K, Na; lösliche Mikronährstoffe Fe, Mn, Cu, Zn, B;
Gesamtgehalte Fe, Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Pb, Ca, Cr, Ni, Hg; ph-Wert und Dichte.
Diese Untersuchung ist im Prinzip vor der ersten Ausbringung durchzuführen und vor
jeder weiteren, soferne die letzte mehr als 4 Jahre zurückliegt.
Weiters dürfen die in Tabelle 9 gezeigten Grenzwerte für Schwermetalle weder im
Boden noch im Klärschlamm überschritten werden. Auch die jährlich zulässigen
Schadstoffrachten dürfen nicht überschritten werden.
4.
Schwermetallbilanzierungsschema
Als einfache Hilfe zum Bilanzieren der Schwermetallgehalte kann nach folgendem
einfachen Rechenschema vorgegangen werden.
Pro 2 Hektar Ausbringungsfläche wird eine Bodenmischprobe genommen und auf
den Gehalt an Schwermetallen analysiert. Bei 20 cm Oberboden ergibt diese Fläche
ein Gesamtgewicht von 3 Mio kg Boden/ha. Das Gesamtgewicht (in kg) mal dem
Ergebnis der einzelnen Elemente der Bodenanalyse (in mg/kg Boden) durch
1.000.000 ergibt den IST-Schwermetallwert in kg/ha. Verglichen mit den maximal
zulässigen Bodengrenzwerten der Stmk. Klärschlammverordnung errechnet sich der
Differenzwert, den man an Schwermetallen frachtspezifisch zuführen könnte.
Die Schwermetallzufuhr des Klärschlammes berechnet sich aus der
Klärschlammanalyse in mg/kg TS mal der zugeführten TS-Menge pro Jahr. Dieser
Wert in mg/1,000.000 ergibt die jährliche kg Zufuhr an Schwermetallen.
5.
Zusammenfassung Klärschlammaufbringung
(1)
(2)
(3)
(4)
Bodenempfindlichkeitskarte ansehen ob der Boden geeignet ist, wenn ja
Bodenuntersuchung dürchführen, wenn die Bodengrenzwerte unterschritten sind;
Klärschlammuntersuchung, wenn die Bodengrenzwerte eingehalten sind;
Gemäß TS-Gehalt wird die maximale Aufbringungsmenge in m3 ausgerechnet
maximal 50 m3/Hektar, maximal 2 mal pro Jahr;
(5) Frachtspezifische Kontrolle ob die jährliche Schwermetallfracht bei der
errechneten Ausbringmenge überschritten wird, bzw. ob die maximale BodenSchwermetallfracht erreicht wird;
(6) Schwermetallbilanzierung wie lange Klärschlamm dieser Belastung aufgebracht
werden darf.
II
Tab. 9:
Konzentration von Schwermetallen in verschiedenen biogenen Abfällen und Grenzkonzentrationen gemäß
Bodenschutzgesetz und Klärschlammverordnung
Element
Maximale
Konzentration 1)
(mg/l)
Festmist 2)
Gülle 3)
PansenBodengrenzwerte
4)
inhalt
Steiermark 5)
(mg/kg TS) (mg/kg TS) (mg/kg TS) (mg/kg Boden)
Blei
k.A.
17
8,4-11
19,6
100
500
100
Cadmium
K.A.
0,1
0,3-0,8
1,96
2
10
1,5
Chrom
200-2.000
22
5,4-9
32,7
100
500
100
Kupfer
10-250
27
45-294
71,9
100
Klärschlammverordnung
Steiermark 6)
BRD 7)
(mg/kg TS)
(mg/kg TS)
500
60
Nickel
200-1.000
16
7,1-38
19,6
60
100
50
Zink
K.A.
193
222-896
287,5
300
1000
200
Quecksilber
K.A.
0,1
0,02-0,05
0,01
2
10
1
Calcium
8.000
Natrium
8.000
Magnesium
3.000
1)
2) , 3), 4)
5)
6)
7)
Maximale, vom Faulprozeß tolerierte Konzentrationen (Wenzlaff, 1981)
Schwermetallkonzentrationen landwirtschaftlicher Basissubstrate die oft in Biogasanlagen zu Anwendung kommen (Euler et al, 1994).
Schwermetall-Bodengrenzwerte des steiermärkischen Landesgesetzblatt Nr. 89, 1987, § 3
Schwermetall-Klärschlammgrenzwerte des steiermärkischen Landesgesetzblatt Nr. 89, 1987, § 3
Schwermetall-Klärschlamm Richtwerte der BRD
III