Refine
Year of publication
- 2018 (3) (remove)
Document Type
- Article (1)
- Conference Proceeding (1)
- Doctoral Thesis (1)
Has Fulltext
- no (3) (remove)
Is part of the Bibliography
- yes (3)
Keywords
- ISFET-sensor module (1)
- concept mobile field laboratory (1)
- field-lab (1)
- lab on a chip (1)
- soil nutrients analysis (1)
- soil sampling (1)
- soil2data (1)
Institute
- Fakultät IuI (3) (remove)
Knowledge of the small-scale nutrient status of arable land is an important basis for optimizing fertilizer use in crop production. A mobile field laboratory opens up the possibility of carrying out soil sampling and nutrient analysis directly on the field. In addition to the benefits of fast data availability and the avoidance of soil material transport to the laboratory, it provides a future foundation for advanced application options, e.g. a high sampling density, sampling of small sub-fields or dynamic adaptation of the sampling line during field sampling. An innovative key component is the NUTRI-STAT ISFET sensor module. It measures values for the ions "NO3- ”, “H2PO4- " and "K+ " as well as the pH. The ISFET sensor module was specially developed for soil nutrient analysis. The phosphorus measurement was further developed for the project "soil2data". First results from the ISFET sensor module show a measurement signal settling time of significantly less than 100 seconds and a further consistent stable measurement signal. The measurement signal dynamics of approx. 58 mV per factor 10 of concentration change is given for the measured variables pH and K+. For the measured quantities of NO3- and H2PO4- , the measurement signal dynamics are lower.
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.
Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar.
Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste 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-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt.
Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt.
Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten.
Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit 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 geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.