Projekt 08389/01

Einsatz eines Spülentmistungssystems mit einer diskontinuierlichen biologischen Behandlungsstufe in der einstreulosen Schweinehaltung zur Reduzierung von Ammoniak- und Geruchsemissionen

Projektträger

Georg-August-Universität Göttingen Forschungs- und Studienzentrum für Veredelungswirtschaft Weser-Ems
Driverstr. 22
49377 Vechta
Telefon: 04441/15-216

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Reduzierung der stallseitigen Ammoniak- und Geruchsemissionen zur Entlastung der Umwelt und zur Steigerung der Luftqualität, durch Verringerung der Verweilzeit des Flüssigmistes, mittels Spülrinnen. Die Spülrinnen werden einmal täglich mit einer aerob-biologisch aufbereiteten Flüssigmistfraktion entleert. Zur biologischen Aufbereitung wurde bisher nur das kontinuierliche Belebungsverfahren angewandt. Zielsetzung des Projekts ist in erster Linie die Optimierung des Bioreaktorsystems zur Reduktion der Betriebs- und Investitionskosten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen wurden in einer Versuchsanlage auf dem Betrieb Böging in Lutten durchgeführt. Dazu wurden zwei identische Stallabteile mit je 120 Mastplätzen (einstreulos, Vollspaltenboden) eingerichtet. Im Referenzabteil wird der anfallende Flüssigmist während einer Mastperiode zwischengelagert. Im Spülmistabteil wurde unter den Spaltenboden eine Güllespülanlage mit V-förmigen Rinnen eingebaut. Jede Rinne wird einzeln hydraulisch ausgespült. Die Spülflüssigkeit wird in zwei Teilschritten durch Sedimentation und eine anschließende aerobe Biologie aufbereitet, wobei der biologisch behandelte Anteil der Spülflüssigkeit etwa 60 % beträgt. Der übrige Teilstrom von 40 % wird nach durchlaufender Sedimentationsstufe direkt dem Vorlagebehälter zugeführt und dort mit dem Ablauf aus dem Bioreaktor vermischt.
Zur biologischen Aufbereitung der Spülflüssigkeit wurde zunächst das kontinuierliche Belebungsverfahren eingesetzt. Anschließend wurde das Bioreaktorsystem auf absatzweisen Betrieb umgestellt.
Die Sedimentation des ausgespülten Flüssigmistes erfolgt in einem trichterförmigen Sedimentationsbehälter. Zur Abscheidung feinsuspendierter Partikel wird in den Zulauf des Sedimenters ein Flockungsmittel zudosiert. Die Nitrifikation und der aerobe Kohlenstoffabbau als Bioreaktor erfolgt in einem begasten Rührkessel. Im Vorlagebehälter für die Spülung wird die aus dem Bioreaktor und dem Sedimenter zulaufende Flüssigkeit (60 zu 40) und das im Bioreaktor gebildete Nitrat zum Teil denitrifiziert. Das nach dem Spülvorgang in der Spülflüssigkeit verbliebene Nitrat wird nach dem Spülvorgang in der Vorgrube denitrifiziert. Die gesamte Anlage gilt demnach als nachgeschaltete Denitrifikationsanlage.
Die stallseitigen gasförmigen Emissionen sowie alle wichtigen Klimadaten (NH3, N20, CO2, CH4 und H20) wurden in beiden Abteilen kontinuierlich on-line erfasst. Dazu wurden Messventilatoren, photo-akustische NDIR-Gasanalyzer sowie Temperatur- und Feuchtesensoren eingesetzt.
Die Flüssigmist-Aufbereitungsanlage und die Spülentmistungsanlage im Stall wurden mit einer speicherprogrammierten Steuerung überwacht und geregelt. Die dazugehörende Programm-Software wurde in der Programmiersprache STEP entwickelt und im Betrieb laufend optimiert.
Die Flüssigmist-Aufbereitungsanlage und die Spülentmistungsanlage im Stall wurden mit einer speicherprogrammierten Steuerung überwacht und geregelt. Die dazugehörende Programm-Software wurde in der Programmiersprache STEP entwickelt und im Betrieb laufend optimiert. Gemessen wurden Flüssigmistvolumenstrom, Gasvolumenstrom, Gelöst-Sauerstoffkonzentration, pH-Wert, Temperatur und die Abluftkomponenten (NH3, N20, CO2, H2O). Die Aufzeichnung der Daten erfolgte mittels Data-Logger.
Über die o. g. on-line-Messungen hinaus wurde die Anlage in allen Bestandteilen regelmäßig beprobt. Folgende nasschemischen Analysen wurde durchgeführt: CSB, BSB5, Cges, Nges, NH4-N, NO2-N, NO3-N und TM.Im zeitlichen Ablauf des Projektes wurde in einer bestehenden Anlage mit kontinuierlichen Betrieb der biologischen Behandlung zunächst die Anlage auf diskontinuierlichen Betrieb umgestellt (Mai - Juni 2000). Anschließend wurden die Ergebnisse während eines Mastdurchganges mit vorangegangenen Ergebnissen des kontinuierlichen Betriebes im Vergleich gestellt.


Ergebnisse und Diskussion

Bei diskontinuierlichem Betrieb der Anlage lag die NH4-N-Konzentration im Zulauf des Bioreaktors bei 800 bis 1200 mg/l, im Ablauf bei 0 und in der Spülflüssigkeit bei 100 bis 400 mg/l.
Im Bioreaktor lag die Nitritkonzentration bei 0, die Nitratkonzentration bei 400 bis 1000 mg/l. Sowohl bei diskontinuierlichem wie bei kontinuierlichem Betrieb konnte ein Ammonium-Abbaugrad von annähernd 96 bis 100 % fortlaufend erreicht werden. In beiden Verfahrensweisen war die Nitrifikationsrate direkt linear mit der Ammoniumkonzentration im Zulauf korreliert. Die Nitrit- und Nitratkonzentration in beiden Verfahrensweisen unterscheiden sich in den einzelnen Abschnitten der biologischen Behandlung jedoch deutlich. Auch das C/N-Verhältnis im Spülvorlagebehälter unterscheidet sich in beiden Verfahrensweisen. Beim Batch-Betrieb liegt der Mittelwert für das C/N-Verhältnis höher und auch die Schwankungen sind ausgeprägter.
Die Emissionsmassenströme der biologischen Behandlung zeigen ebenfalls deutliche Unterschiede. Sowohl bei N2O als auch bei CH4 liegen die Massenströme beim Batch-Betrieb 25 bis 50 % höher. Hinsichtlich des Stallbetriebes konnten in Bezug auf den Ammoniakmassenstrom bzw. auf die Ammoniakreduzierung bei beiden Verfahrensweisen keine signifikanten Unterschiede nachgemessen werden. In beiden Verfahren (kontinuierlich, diskontinuierlich) wurde im Vergleich zum Referenzabteil eine durch-schnittliche Reduktion der Ammoniakemission um 40 bis 45 % erreicht. Im Referenzabteil wurde in allen untersuchten Mastdurchgängen ein durchschnittlicher Ammoniakmassenstrom von 9 bis 10 g NH3 pro Tierplatz und Tag erreicht. Im Versuchsabteil schwankte der durchschnittliche Ammoniakmassenstrom, unabhängig von der untersuchten Betriebsweise, zwischen 5,5 und 6 g pro Tierplatz und Tag.
Durch Sedimentation und Flockung der Gülle in einem Sedimentationsbehälter können hohe Feststoffabscheidegrade erzielt werden, die weit über die Trennungsgrade einer mechanischen Trennung liegen. Das BSB5/N-Verhältnis ist für die Nitrifikation von besonderer Bedeutung. Die Verläufe haben ebenso wie die Verläufe des BSB5/CSB-Verhältnisses zum Ende der Mastperiode eine abnehmende Tendenz.
Ein Vergleich der Nitrifikationsraten bei beiden Betriebsarten zeigt, dass beide Verfahren, bezüglich der Nitrifikationsrate, gleichwertig sind. Beim Batch-Betrieb könnte durch Verkürzung der Befüllphase des Bioreaktors die Nitrifikationsrate noch gesteigert werden. Nachhaltig am diskontinuierlichem Betrieb sind die im Vergleich zum kontinuierlichem Verfahren erhöhten Lachgas- und Methanemissionen aus der Be-handlungsanlage. Aus der Umstellung des Verfahrens auf chargenweiser Zuführung (Batch-Betrieb) ergeben sich im Vergleich zu einem kontinuierlichem Betrieb deutliche Einsparpotentiale hinsichtlich Investitions- und Betriebskosten. Die Zahl der Pumpen und Pumpenlaufzeiten können mehr als halbiert werden.
Auf ein Nachklärbecken, die Rücklaufschlammpumpe und die Überschussschlammpumpe kann verzichtet werden. Sowohl beim kontinuierlichem Betrieb als auch beim Batch-Betrieb sind die Ammoniakemis-sionen aus der Abluft des Bioreaktors praktisch gleich null. Für die Zukunft kommt es darauf an, durch Senkung des Reaktorvolumens die Kosten weiter zu senken. Dies könnte insbesondere durch eine Reduktion des Anteils der behandelten Flüssigkeit in der Spülflüssigkeit erreicht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die o. g. Anlage ist derzeit weiter in Betrieb und kann nach Absprache mit Prof. Dr. Ir. H. Van den Weghe besichtigt werden. Die Ergebnisse sind in mehreren Publikationen, Faltblättern u.ä. dokumentiert und können bei Bedarf abgerufen werden.


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass durch Optimierung der biologischen Behandlungsstufe das Spülverfahren deutliche Reservepotentiale für ein emissionsarmes Entmistungsverfahren in der einstreulosen Schweinehaltung bietet.