@phdthesis{Gienau2018, author = {Tobias Gienau}, title = {Energieeffiziente G{\"a}rrestaufbereitung : Auswirkung verschiedener Vorbehandlungen auf die Ultrafiltration und Umkehrosmose von G{\"a}rresten}, doi = {10.14279/depositonce-6958}, year = {2018}, abstract = {Aufgrund der zunehmenden {\"U}berd{\"u}ngung landwirtschaftlicher Fl{\"a}chen durch Wirtschaftsd{\"u}nger und G{\"a}rreste aus Biogasanlagen wird eine {\"o}konomische und {\"o}kologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der N{\"a}hrstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus G{\"a}rresten und G{\"u}llen ben{\"o}tigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur D{\"u}ngemittelr{\"u}ckgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Fl{\"u}ssigtrennung und Membrantechnik k{\"o}nnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erf{\"u}llen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 \%, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 \% des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit w{\"a}re ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren fl{\"a}chendeckend einsetzbar. F{\"u}r die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden G{\"a}rreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-R{\"u}hrzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatfl{\"u}sse. Funktionelle Zusammenh{\"a}nge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosit{\"a}t der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. G{\"a}rrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Flie{\"s}verhalten auf. Haupts{\"a}chlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl f{\"u}r die erzielbare Flussleistung, als auch f{\"u}r das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen m{\"o}glichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Ma{\"s}st{\"a}ben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotma{\"s}stab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosit{\"a}t. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Ma{\"s}st{\"a}ben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt. Durch die Ans{\"a}uerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur f{\"u}r Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergr{\"o}{\"s}erung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsma{\"s}st{\"a}ben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt. Die Temperaturerh{\"o}hung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotma{\"s}stab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerh{\"o}hung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosit{\"a}t und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zur{\"u}ckgef{\"u}hrt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosit{\"a}t herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erh{\"o}ht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erh{\"o}hte Reynoldszahl bestand die M{\"o}glichkeit, die Str{\"o}mungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute {\"U}bertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Ma{\"s}st{\"a}be festgestellt. Die Ergebnisse des Laborma{\"s}stabes erlauben eine Vorhersage der Membranfl{\"u}sse auf gro{\"s}technische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversit{\"a}t der beprobten Anlagen erm{\"o}glichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenh{\"a}nge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabh{\"a}ngigen scheinbaren und temperaturabh{\"a}ngigen Viskosit{\"a}t von G{\"a}rrestzentraten. Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 \% erm{\"o}glichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter {\"U}berstr{\"o}mungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ans{\"a}uerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter {\"U}berstr{\"o}mungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 \% reduziert. In einer abschlie{\"s}enden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK gef{\"o}rderte W{\"a}rmenutzung der wirtschaftlichste Fall f{\"u}r eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter {\"U}berstr{\"o}mungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem G{\"a}rrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 \% reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb m{\"o}glich.}, language = {de} }