Energy efficient nutrient splitting of liquid farm fertilizers by means of Membrane filtration

Die definierte Selektivität der Membranfiltration kann dazu genutzt werden, einzelne spezifische Gülle-Separationsprobleme in übergeordneten Aufbereitungsklassen zusammenzufassen. Mit dem Ansatz einer gesteuerten Nährstofftrennung bzw. Teilzusammenführung von modifizierten Strömen, und der Zuordnung von spezifischen Aufgaben an die Mischprodukte, werden die Nachteile des Ausgangsrohstoffs reduziert und der Wertstoff Gülle rückstandsfrei nutzbar gemacht. Mit einem Anlagenmodell, bestehend aus einer Hydrotankpresse als Vorfiltration und einer Ultrafiltration als Kernkomponenten, ist es über empirisch ermittelte Betriebsparameter möglich, einen energetisch optimierten und kontinuierlichen Produktionsbetrieb durchzuführen. Als Produkte der dezentralen Aufbereitungsanlage werden ein emissionsreduzierender Flüssigdünger, eine als Brennstoff und als Gärsubstrat geeignete Feststoffphase, sowie das Retentat als aktivierendes Material zur Biogasertragssteigerung gewonnen. Das untersuchte Anlagenmodell ist auf den innerbetrieblichen Einsatz in Milchviehhaltungsbetrieben abgestimmt. Mit der Erarbeitung von stabilen und energetisch günstigen Anlagenbetriebspunkten wird das Anlagenverhalten hydraulisch steuerbar. Durch die Zuordnung von Anlagenzuständen zu differenziertem Spülverhalten, wird die direkte Einflussnahme der Temperatur auf den Permeat-Flux erkennbar. Der Einsatz eines Tauchkühlers, mit voreingestellten Grenztemperaturen, stabilisiert signifikant das Anlagenverhalten im Vergleich zu konventionellen Anlagenkonfigurationen. Die Anwendung einer Hydropresse gestattet höhere TDS-Belastungen im UF-Kreislauf, bietet aber kein Potenzial zur Steigerung der Nährstoffdurchsätze. Dies gilt auch für den Einsatz einer 300 kDa-Variante, im Vergleich zur priorisierten 150 kDa-UF-Membran. Mit der Hydropresse kann eine höhere Feststoffabscheidung wie mit Verstopfungs- bzw. Siebfiltrationen erreicht werden, die TDS-Belastungen sind im Retentat auf 5.000 - 7.000 ppm limitiert, oder müssen durch Verdünnung auf diese Werte eingegrenzt werden. Mit der zusätzlichen Anwendung einer Gasspülung in der Anströmung der UF-Module, können TDS-Belastungen über 10.000 ppm erstmals dauerhaft bewältigt werden. Über die so erweiterte Verfahrenstechnik sind Standzeiten von mehreren Wochen, ohne betrieblich bedingte Unterbrechungen, möglich. Die durch Fluoreszenzmikroskopie nachweisbare Anreicherung von Methanbildnern im Retentat, bestätigt eine mögliche Anwendung des Retentats als Biogassubstratergänzung. Der Biogasertrag wird durch Zusatz von Retentat zu den bisher verfügbaren Substraten generell erhöht. Eine Mischung aus Retentat und dem Feststoff aus der Hydropresse unterstützen die biochemische Stabilisierung in Fermentern. In Kombination mit Anteilen an Feststoff ist das Permeat bei der Bewertung von pflanzenbaulichen Erträgen, als konkurrenzfähig zu Rohgülle und Mineralstoffdünger einzustufen. Das auf landwirtschaftliche Flächen ausgebrachte Permeat ist geruchslos.The predefined selectivity of Membrane filtration can be used for the junction of manure separating problems in higher-ranking conditioning categories. In particular ambition of controlled Nutrient separation and part-junction of modified flows it is possible to assign specific tasks to conversion products. The disadvantages of the raw material will be reduced and the resource manure can be used residue-free. By means of a plant model, consisting of the core components, a Hydraulic tank press and a multichannel Ultrafiltration, it is possible to perform an energy efficient and uninterrupted line operation with empirical determined operating parameters. The products of the peripheral process plant are an emission reducing Liquid fertilizer, a Solid matter phase which is suitable as fossil burning fuel as well as Fermentation substrate and a Retentate, as activating material to increase the biogas yield. The tested plant model matches an intra-farm use in dairy farming corporations. With the development of stable and energy efficient operating parameters the bearing of the plant becomes hydraulic controllable. Due to the assignment of plant states to distinguished flushing cycles, the direct interference of the temperature on the Permeate-Flux becomes visible for the first time. An installed immersion chiller with predefined boundary temperatures stabilises significantly the bearing of the plant in comparison to conventional plant configurations. With application of a Hydraulic tank press higher TDS-loads in the Ultrafiltration cycle will be granted, but the Nutrient flow ratings cannot be increased. This applies also to the use of a 300 kDa model instead of the 150 kDa Ultrafiltration membrane. With the help of the Hydraulic tank press a higher rate of solid matter deposition will be achieved in comparison to bridging and sieve filtration systems. But the TDS-loads are still limited to values of 5.000 - 7.000 ppm, otherwise a dilution of the Retentate has to be executed to fullfill these values. With an additional use of a Gas flushing system in the upstream flow of the Ultrafiltration module, with an direct impact on the membrane surface layer, TDS-loads higher 10.000 ppm can be handled. Operating life cycles of several weeks without any break are now possible with the so extended Process technology. A concentration of Methane forming bacterias in the Retentate can be detected with the help of Fluorescence microscopy and confirmes the positive effect of the Retentate as additive of substrates. The yield of biogas increases in general with the addition of Retentate to any conventional used substrate. The mixing of Retentate and solid matter out of the Hydraulic tank press supports the biochemical stabilisation in Biogas fermenters. The Permeate in combination with portions of solid matter is competitive to raw manure and mineral nutrient fertilizers, in the evaluation of crop farming yields. The manuring with Permeate is inodorous