Steigerung der Energieausbeute von Schweinegülle durch Zeolith-Zugabe für die Biogasproduktion im thermophilen Bereich – Dissertation

Doktorarbeit

THOMAS A. KOTSOPOULOS, Diplom-Agraringenieur, Diplom-Bauingenieur, MSc, IKY-Stipendiat

BETREUER: Prof. Gerasimos Martzopoulos

In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich die Zugabe unterschiedlicher Mengen an natürlichem Zeolith auf den anaeroben Abbau von Schweinegülle auswirkt. Im Einzelnen wurde geprüft, ob die Zugabe von Zeolith die Energieausbeute der Gülle steigert (mehr Methan, Energiegewinnung in kürzerer Zeit). Außerdem wurde untersucht, welchen Einfluss der Zeolith auf die Verringerung des Feststoffgehalts, der flüchtigen Feststoffe und des BSB5 (Umweltparameter) hat.
Es wurden 2 Vorversuche durchgeführt, die als Grundlage für die Planung des Hauptversuchs dienten. Jeder Vorversuch dauerte 30 Tage. Die Ergebnisse der Vorversuche legten insbesondere die im Hauptversuch eingesetzten Zeolithmengen sowie die Dauer jeder Wiederholung fest.
Die im Hauptversuch eingesetzten Zeolithdosen betrugen 0, 4, 8 und 12 g Zeolith pro Liter Gülle. Der Hauptversuch umfasste 5 zeitliche Wiederholungen. Aufgrund der Ergebnisse der Vorversuche wurde die Dauer jeder Wiederholung auf 15 Tage festgelegt. In jeder zeitlichen Wiederholung war der Versuchsplan eine vollständig randomisierte Anlage ohne Blockbildung mit gleich großen Stichproben. Es gab 4 Behandlungen, und für jede Behandlung wurden 2 Proben verwendet. Als Reaktoren dienten gerührte Batch-Reaktoren (Einmalbefüllung).
Während des Versuchs wurde die Temperatur bei 55 °C gehalten, und es wurden Messungen der folgenden Parameter durchgeführt: pH-Wert, biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB5), Gesamtfeststoffe (TS) und flüchtige Feststoffe (VS) sowie Ammonium- und organischer Stickstoff. Außerdem wurde täglich die erzeugte Biogasmenge gemessen. Messungen zur qualitativen Zusammensetzung des Biogases erfolgten am Ende jeder Wiederholung.
Aus dieser Forschungsarbeit ergaben sich die folgenden allgemeinen Schlussfolgerungen:
1. Durch die Zugabe von Zeolith stieg die Energieausbeute von Schweinegülle für die Biogasproduktion im thermophilen Bereich. In den Behandlungen mit 8 bzw. 12 g Zeolith pro Liter Gülle betrug die Steigerung der Biogasmenge 65 bzw. 49,8 % gegenüber der Behandlung ohne Zeolith. Die Methanproduktion lag in der Behandlung mit 8 g Zeolith pro Liter Gülle bei 306 Litern Methan pro Kilogramm flüchtiger Feststoffe, in der Behandlung mit 12 g Zeolith bei 297 Litern Methan pro Kilogramm flüchtiger Feststoffe, während sie in der Behandlung ohne Zeolith nur 186 Liter Methan pro Kilogramm flüchtiger Feststoffe erreichte. In den Behandlungen mit Zeolith wurde die Energie in kürzerer Zeit freigesetzt.
2. Die Zugabe von Zeolith verringerte die Gesamtfeststoffe in statistisch signifikantem Maße. Die Verringerung war so groß, dass die behandelte Gülle ohne weitere Aufbereitung an Bodenempfänger abgegeben werden kann (Ministerialbeschluss Y1b/2000, Regierungsblatt FEK 343/95).
3. Die Verringerung des BSB5 war zufriedenstellend und überstieg in einigen Fällen 60 %. Die Endkonzentrationen des BSB5 bleiben jedoch für die Einleitung der Gülle in Gewässer recht hoch, auch wenn sie sich den staatlichen Grenzwerten für Bodenempfänger annähern (Ministerialbeschluss Y1b/2000, Regierungsblatt FEK 343/95).
Die genannten Ergebnisse resultieren aus der Zugabe von Zeolith, der offenbar Ammoniak adsorbiert und dadurch sowohl die Ammoniaktoxizität und das C/N-Verhältnis als auch die Aufrechterhaltung des Säure-Basen-Gleichgewichts (pH-Wert) der Gülle beeinflusst.