Biogas yield of horse manure in anaerobic upflow solid state digestion

Das Interesse an der Biogastechnologie in der Landwirtschaft bezüglich der Vergärung von Feststoffen stieg insbesondere mit der Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2004 deutlich an. In diesem wurde unter anderen das Ziel verankert, den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung in Deutschland deutlich zu erhöhen. Biomasse hat das Potential einen deutlichen höheren Beitrag zur Deckung der Energieversorgung zu leisten als bisher. Dieses Potential kann durch verschiedenste Verfahren nutzbar gemacht werden, wozu auch die anaerobe Fermentation von Biomasse zu energiereichem Biogas zählt. Die derzeit in konventionellen Anlagen größtenteils eingesetzten Rührkesselreaktoren sind nur begrenzt für Reststoffe aus der Landwirtschaft geeignet, da sich ihr Durchmischungsaufwand mit der Feststoffzufuhr deutlich erhöht. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Substrat Pferdemist auf Strohbasis in einem für die Feststofffermentation entwickelten Verfahren, dem Aufstromverfahren, zu erproben. Dazu wurde der Einfluss von zwei Betriebssystemen und von zwei Temperaturniveaus unter Erhöhung der Raumbelastung auf den Fermentationsprozess überprüft. Des Weiteren wurde die überaus wichtige Fragestellung nach der Generierung klimarelevanter Gase (N2O, CH4, CO2) bei der Lagerung von Gärresten in unterschiedlichen Behandlungsformen untersucht. Mesophile Vergärung im Aufstromverfahren Das kontinuierlich betriebene, undurchmischte Aufstromverfahren ist durch seine Funktionsweise besonders für die Vergärung von Feststoffen geeignet. Dieses beruht auf dem Dichteunterschied zwischen den organischen Feststoffpartikeln und der Prozessflüssigkeit. Die abzubauenden Feststoffpartikel steigen aufgrund einer geringeren Dichte und durch Anlagerung von Gasbläschen im Reaktor auf, worauf sich der Name des Verfahrens und des Reaktors, des Aufstromfeststoffreaktors (AFR) bezieht. In diesem zweiphasigen System aus fester und flüssiger Phase, wird die Prozessflüssigkeit durch den Feststoffpropfen geleitet, wobei gelöste Intermediate abtransportiert werden. Die Flüssigkeit wird beim 1-stufigen System dem AFR wieder zugeführt. Bei dem 2-stufigen System wird der AFR durch einen Festbettreaktor (FBR) erweitert, welcher mit Aufwuchsträgern befüllt ist und in welchem die gelösten Intermediate abgebaut werden. Der erste Teilbereich dieser Arbeit beschäftigte sich mit der generellen Erprobung des Aufstromverfahrens mit dem Substrat Pferdemist bei mesophilen Temperaturen (37°C). Dazu wurden beide Betriebssysteme eingesetzt und die Raumbelastung der Reaktoren stufenweisen erhöht. Das im Prozess entstehende Biogas wurde auf sein Volumen sowie auf die Zusammensetzung überprüft und auf Normbedingungen korrigiert. Im Verlauf des Versuches, welcher bei einer Raumbelastung von 2,5 g organischer Trockensubstanz pro Liter Reaktorvolumen und Tag (goTS L-1 d-1) begann und auf 4,5 goTS L-1 d-1 erhöht wurde, wurden die Menge an zugeführtem Substrat analog erhöht. Die täglich ermittelten Methan-Produktionsraten zeigten einen signifikanten Anstieg (P<0,05) mit jeder Erhöhung der Raumbelastungsstufe. Ein Unterschied zwischen dem 1- und 2-stufigen System konnte nicht ermittelt werden. Schlussfolgernd zeigen die Ergebnisse, dass das Aufstromverfahren für die Vergärung von Pferdemist auf Strohbasis bei mesophilen Temperaturen durchaus geeignet ist und dass das 2-stufige Verfahren gegenüber dem 1-stufigen Verfahren bei den getesteten Raumbelastungen keinen Vorteil brachte. Thermophile Vergärung im Aufstromverfahren Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit war es, den Einfluss von thermophilen Temperaturen auf den Biogasprozess zu testen. Dazu wurde der Versuchsaufbau beider Betriebssysteme übernommen und die Reaktoren auf 55°C geheizt. Die Raumbelastung wurde ebenfalls stufenweise von 2,5 auf 5,5 goTS L-1 d-1 erhöht. Die produzierte Menge an Biogas sowie dessen Zusammensetzung wurde täglich ermittelt und auf Normbedingungen korrigiert. Wie auch im mesophilen Versuch verzeichneten die Methan-Produktionsraten einen signifikanten Anstieg (P<0,05) mit der Erhöhung der Raumbelastung bei beiden Betriebssystemen. Das 2-stufige Verfahren erreichte dabei nahezu gleich hohe Methanraten wie das 1-stufige. Der Vergleich der Methanraten zwischen dem mesophilen und thermophilen Durchgang verdeutlicht, dass diese durch die Erhöhung der Betriebstemperaturen hochsignifikant (P<0,0001) um 58,1% gesteigert werden konnte. Die Teilversuche haben gezeigt, dass es möglich ist Pferdemist und Stroh kontinuierlich im Aufstromverfahren bei mesophilen und thermophilen Temperaturen zu vergären. Den größten Einfluss auf die Methan-Produktion nahmen dabei die Raumbelastung und die Temperatur ein. Die Erweiterung durch einen Festbettreaktor im 2-stufigen Aufbau führte bei den geprüften Raumbelastungen zu keinen Vorteilen gegenüber dem 1-stufigen System. Effekt der Gärrest-Stabilisierung auf Treibhausgasemissionen während der Lagerung Eine weitere Problemstellung dieser Arbeit war die Ermittlung von treibhaus- und klimarelevanten Emissionen bei der Lagerung von Gärresten. Bei der Vergärung von Biomasse entsteht ein Anteil an Gärrest, welcher beim Prozess nicht abgebaut werden kann. Der Anteil ist abhängig von der Zusammensetzung des eingesetzten Substrats. Der durch den Einsatz von Pferdemist und Weizenstroh generierte Gärrest wurde in einer weiteren Untersuchung über 30 Tage in gasdichten Behältern gelagert und dessen Emissionen untersucht. Die eingesetzten Varianten wurden zuvor bei 60°C und verschiedenen Haltezeiten (6h, 12h, 24h) thermisch stabilisiert. Des Weiteren wurde unbehandelter Gärrest als Kontrolle getestet und jeweils eine Charge mit den Additiven Biokohle und Zeolith versetzt. Innerhalb der 30 Tage Lagerdauer wurden stündlich aus jeder Lagertonne Gasproben genommen und auf folgende Gase untersucht: NH3, CH4, N2O, CO2 und H2O. Die thermische Stabilisierung des Gärrests durch 24 h Trocknung bei 60°C erreichte die größte Minderung bei den gemessenen Treibhausgasen. Alle anderen Varianten (6- und 12h Trocknung, Zugabe von Biokohle und Zeolith) reduzierten die auftretenden Emissionen im Gegensatz zum unbehandelten Gärrest ebenfalls. Die Zugabe von Zeolith und Biokohle zeigte sich besser geeignet für die Kurzzeit-Lagerung der Gärreste (10-20 Tage). Die thermische Stabilisierung zeigte insgesamt den größten Minderungseffekt, solange die benötigte Wärme für die Trocknung aus dem eigentlichen Biogasprozess gedeckt werden kann. Die Untersuchung hat gezeigt, dass das Substrat Pferdemist für die Produktion von Biogas in höchstem Maße geeignet ist. Beim Einsatz in Aufstromfeststoffreaktoren konnten keine prozesstechnischen Probleme festgestellt werden, sodass sich das Betriebssystem als geeignet herausstellte. Da das Verfahren derzeit noch keine Anwendung in der Praxis findet, ist die Erforschung zur Vergärung von Pferdemist und der Gärrestbehandlung unter Praxisbedingungen essentiell.The interest in biogas technology in agriculture in regard to the fermentation of solids enhanced especially with amendment of the Renewable Energies Act (EEG) in 2004. Among others the aim to increase the use of renewable energies in the electricity supply in Germany was defined. Biomass has the potential to cover the expenses of energy supply in a higher rate than before. This potential can be used by a variety of methods, including anaerobic digestion of biomass to produce biogas. Completely stirred tank reactors are currently mostly used as conventional systems but limited in digesting solid wastes of agriculture. Aim of the present study was to test the substrate horse manure based on straw in a process developed for solid fermentation, the upflow anaerobic solid-state (UASS) process. Two operating systems and temperature levels were tested under different organic loading rates. Furthermore the emission of greenhouse gases (GHG) (N2O, CH4, CO2) while storage of the produced digestate was tested under different stabilization processes. Mesophilic digestion in UASS process The continuously operated, unstirred UASS process is suitable for anaerobic digestion of solids by its operation system. This is based on the difference in density between the organic solid particles and the process liquid. The degraded solid particles rise due to a lower density and by the addition of gas bubbles to the top of the reactor. Therefore the name of the method and of the reactor (UASS) is concluded. In this two-phase system consisting of solid and liquid phase, the process fluid is passed through the digestate and dissolved particles are transported away. In the single-stage system process liquor is supplied to the UASS reactor again. In the two-stage system the UASS reactor is extended by an anaerobic filter (AF), which is filled with biofilm carriers. First part of this work dealt with the general testing of UASS process with the substrate horse manure at mesophilic temperatures (37 ° C). For this purpose, both operating systems were used and the organic loading rate of the reactors was gradual increased. The resulting biogas of the process was checked for its volume as well as its composition and corrected to standard conditions. In the course of the experiment organic loading rate was increased from 2.5 to 4.5 gVS L-1 d-1. The daily methane production rates showed a significant increase (P<0.05) with each increase of the organic loading rate. A difference in performance of the one- and two-stage system could not be detected. In conclusion, the results show that the UASS process is quite appropriate for the fermentation of horse manure based on straw at mesophilic temperatures, and that the two stage process showed no advantage with respect to the tested organic loading rates. Thermophilic digestion in UASS process Second part of this study was the determination of the influence of thermophilic temperatures on biogas process. The same operation systems were used and the UASS reactors were tempered on 55 °C. Organic loading rate was also increased stepwise from 2.5 up to 5.5 gVS L-1 d-1. The produced volume of biogas was daily measured for each reactor and corrected to standard conditions. Like in the mesophilic digestion process methane production rate showed a significant increase (P<0.05) for each increase of the organic loading rate in both operating systems. The two-stage system reached nearly the same volumes like the one-stage system. Comparison of the mesophilic and thermophilic methane yields showed a highly significant influence (P