@article{GienauRosenberger2018,
  author    = {Gienau, Tobias and Rosenberger, Sandra},
  title     = {Nutrient Recovery from Biogas Digestate by Optimised Membrane Treatment},
  series = {Waste and Biomass Valorization},
  journal   = {Waste and Biomass Valorization},
  doi       = {10.1007/s12649-018-0231-z},
  pages     = {1 -- 11},
  year      = {2018},
  abstract  = {Biogas plants produce nutrient rich digestates as side products, which are usually used as local fertilisers. Yet the large amount and regional gradients of biogas plants in Germany necessitate management, conditioning, and transportation of digestates, in order to follow good fertilising procedure and prohibit local over-fertilisation. With a membrane-based treatment chain, i.e. centrifugation, ultrafiltration, and reverse osmosis, digestates can be separated into a solid N,P-fertiliser, a liquid N,K-fertiliser, and dischargeable water. Up to now, the high energy demand of the process chain, in particular the ultrafiltration step, limits the economical market launch of the treatment chain. A reduction of the energy demand is challenging, as digestates exhibit a high fouling potential and ultrafiltration fluxes differ considerably for digestates from different biogas plants. In a systematic screening of 28 digestate samples from agricultural biogas plants and 6 samples from bio-waste biogas plants, ultrafiltration performance could be successfully linked to the rheological properties of the digestate's liquid phase and to its macromolecular biopolymer concentration. By modification of the fluid characteristics through enzymatic treatment, ultrafiltration performance was considerably increased by factor 2.8 on average, which equals energy savings in the ultrafiltration step of approximately 45\%. Consequently, the energy demand of the total treatment chain decreases, which offers potential for further rollout of the membrane-based digestate treatment.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Gienau2018,
  author    = {Gienau, Tobias},
  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 Fließverhalten 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 Maßst{\"a}ben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. 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 Maßst{\"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}ßerung der Partikel um den Faktor 7 - 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßst{\"a}ben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt. Die Temperaturerh{\"o}hung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab 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 Maßst{\"a}be festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranfl{\"u}sse auf großtechnische 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 abschließenden 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}
}