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Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA
Prof. Dr.-Ing. Sabine Flamme
1. Workshop Abfallwirtschaft18. - 19.06.2008 Vologda
Gliederung
Allgemeines
Kompostierung
Vergärung
Mechanisch Biologische Abfallaufbereitung
Biologische Abfallbehandlung
Ziel: Biologische Behandlung aus Umwandlung der organischen Bestandteile und deren Mineralisierung;
Kompost: pflanzenverträgliches Bodenverbesserungsmittel
Allgemeines
Verwertung von Bio- und Grünabfällen
stofflich
stofflich/energetisch
energetisch
Kompostierung (aerob)direkte
Verwertung
Vergärung(anaerob)
Dünge- undBodenverbes-serungsmittel
Energie und/oder Wärme
Dünge- und Boden-verbesserungsmittel
Energie und/oder Wärme
Verbrennung(thermisch)
Möglichkeiten der Kompostierung
Kompostierung
Vielzahl von Einflussgrößen
Anforderungen / Verwertungswege / Absatzmöglichkeiten
Ersatz des mineralisierten bodenbürtigen Humus
Verbesserung der chemisch-physikalischen Bodeneigenschaften
(Erhöhung des Porenvolumens, der Wasserkapazität,
Verminderung von Erosion und Verschlämmung etc.)
Steigerung der biologischen Aktivität der Böden
Ertragsteigerung
Positiver Einfluss auf die Qualität der erzeugten Produkte
Gebietsstruktur
Gebührenordnung
Behältersystem
Teilnehmerquote
Anteil Eigenkompostierer ( 30 – 60 kg/(ET
*a)) abschöpfbar
Kompostierung
Anforderungen
Allgemeine Qualitätsansprüche an die Kompostqualität:
reich an wertbestimmenden Inhaltsstoffen (org. Substanz, Nährstoffe)arm an wertmindernden Inhaltsstoffen (Störstoffe, Schadstoffe)hygienische Unbedenklichkeit
Gütezeichen Kompost
http://www.bgkev.de
Kompostierung
Absatzmöglichkeiten
Für den Einsatz von Bio- und Grünabfallkomposten sind zahlreichepflanzenbauliche und andere Anwendungsbereiche vorhanden,
wobei der Mengenbedarf in den einzelnen Bereichen sehr unterschiedlich ist und
regionalen Einflüssen unterliegtAnwendungsbereiche für Bio- und Grünabfallkompost
Landwirtschaft Erwerbsgartenbau Garten- und Landschaftsbau Baumschulen Hobby- und Kleingartenbau Wein- und Obstbau Forstwirtschaft Öffentliche Grünanlagen Rekultivierungsmaßnahmen Kompostprodukte (erden- und substratherstellende
Industrie) Technische Bereiche (Kompostfilter etc.)
Kompostierung
44,3
16,612,5 11,4
6,03,7 3,4 2,0
Vermarktungswege von Kompost (2002)
An
teil
e in
%
Vermarktungswege für gütegesicherte Komposte (nach Bundesgütegemeinschaft Kompost e.V., www.bgkev.de, 2006)
Kompostierung
Zielsetzung
Bundesweiter Verbrauch von ca. 9 Mio. m³/a Torf; bei vollständiger
Ausschöpfung der möglichen Substitutionsfelder Bedarf von 2,5 Mio.
m³
Kompost (ca. 30 - 40 % der Kompostgesamtmenge).
Marktwert von Kompost in DeutschlandÜber alle Vermarktungsbereiche beträgt der durchschnittliche Erlös
vonRAL-Kompost (gesiebt, ab Werk) ca. 5,80 €. In der Landwirtschaft
sinddie Erlöse geringer.
Im Landschaftsbau, Erdenwerken, Hobbygartenbau etc. werden höhere
Erlöse erzielt (BGK, 2006).
Einsparungen von Ressourcen hier: Torfersatz
Kompostierung
Temperaturverlauf bei der Kompostierung
Kompostierung
Unterscheidung in drei Rottephasen
Abbauphase/thermophile Phase• Durch intensive Abbautätigkeit wärmeliebender (thermophiler)
Mikroorganismen Temperaturanstieg auf 60 - 70°C.• Vollständige Hygienisierung, wenn das gesamte Material über einen
Zeitraum von 3 Wochen Temperaturen von > 55°C ausgesetzt war.
Umbauphase/mesophile Phase
• Temperaturen sinken unter 45°C mesophile Bakterien und Pilzarten werden aktiv.
• Je nach Kompostierungsverfahren hält diese Phase mehrere Wochen an.
Aufbauphase/Abkühlungs- oder Reifephase• Weitere Abkühlung, Besiedlung durch Bodentiere (Zerkleinerung von Pflanzenteilen, Durchmischung und Durchlüftung des Substrates, Stabilisierung der Humusstoffe).• Bildung von Ton-Humus-Komplexen, Beginn der Mineralisation.• Phase sollte möglichst nicht während der Kompostierung abgeschlossen sein.
Kompostierung
Kompostierungsverfahren
A bfa llentso rgung
Luft
LuftW a sser
Verw ertung
A nliefe rung (evtl. W aage , Bunker) B ioab fa ll
te ilw e ise Vorze rk le inerung
Zw ischenlagerungVerm ischung
B ei B edarf: Zugabe von Struktu rm ateria lW asser
evtl. Vorrotte(sta tisch/dynam isch)
R o tte(U m setzen)
N achrotte
S iebung
M ischungTorf, E rde e tc.
A bfü llen
Zw ischenlager
S iebrest
Allgemeines Verfahrensschema der Bioabfallkompostierung
Kompostierung
Materialbilanz bei der Kompostierung (ISA -Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen, 2002)
Kompostierung
Intensivrottesysteme für Bioabfälle
Intensivrottesysteme der Bioabfallkompostierung (Kern, 1992)
Kompostierung
Kompostierung
Tunnelkompostierung
Kompostierung
Containerkompostierung
Zeilenreaktor mit Umsetzer (Thomé- Kozmiensky, 1995)
Kompostierung
Zeilenkompostierung
Luftbild Kompostierungsanlage (Bidlingmaier, 2005)
Kompostierung
Grundlagen der Vergärung
Vergärung: anaerobe biologische Mineralisierung organischer
Rückstände (z. B. Bioabfälle), basierend auf der Nutzung der
Methangärung. Diese ist ein mehrstufiger biologischer Prozess, bei
welchem durch die mikrobiellen Stoffwechselvorgänge Biogas gebildet wird.
Der verbleibende Feststoff wird als Gärrückstand bezeichnet.
Vergärung
Verfahren der Bioabfallvergärung
Vergärung
(nach Biener, 2002)
Vergärung
Verfahrenschema einer Vergärungsanlage
Vergleich/Kombination von Kompostierung und Vergärung
Kompostierung (aerob) Vergärung (anaerob)
Grünabfall
Bioabfall (ländlich)
Bioabfall (städtisch)
Marktabfälle
Küchenabfälle
Speiseabfälle
Gaststättenabfälle
Abb.: Eignung organischer Abfälle für eine aerobe oder anaerobe Behandlung
zunehmende Struktur
zunehmende Feuchte
Vergärung
Kompostierung Vergärung
Prozessbeschreibung aerob
Zugabe von Strukturmaterial
exotherm (Selbsterhitzung)
anaerob
leicht exotherm
Geeignetes Aus-gangsmaterial
strukturreich, ligninhaltig,
Wassergehalt < 70 %
strukturarm, ligninarm,
hoher Wassergehalt
optimale Substrat-feuchte
40 – 60 % 60 – 95 %
Behandlungsdauer (abhängig von Rotte-grad)
ca. 8 - 12 Wochen ca. 20 Tage (anaerob),
zzgl. 4 - 6 Wochen Nachrotte
Energie Energieintensiv (Belüftung) Energieunabhängig
Platzbedarf 0,4-1,9 m²/Mg 0,1 - 1,2 m²/Mg (geringer Platzbedarf für Ver-
gärung, mit Nachrotte nur geringe Vorteile)
Emissionen Abwasser: gering
Geruch: hoch
Abwasser: hauptsächlich bei Nassfermentation
Geruch: geringer
Spezifische Kosten in Abhängigkeit vom Durchsatz ca. 65 - 100 €/Mg bei Kompost,
65 €/Mg bei Frischkompost
in Abhängigkeit vom Durchsatz ca. 70 - 200 €/Mg
(bei mittleren Anlagen ver-gleichbar mit Kompostierung)
Vergärung
Vergleich aerobe und anaerobe Behandlung von Bioabfällen
Verfahren zur Restabfallbehandlung
Seit dem 01.06.2005 ist in Deutschland eine Ablagerung von
unbehandelten Siedlungsabfällen ohne vorherige Behandlung nicht mehr möglich.
Die Einhaltung der Vorgaben der Abfallablagerungsverordnung für die
Deponieklasse II insbesondere hinsichtlich der organischen Bestandteile erfordert
eine thermische oder mechanisch-biologische Vorbehandlung, dadurch:
eine Minimierung der Deponiegasbildung,
eine Minimierung der Sickerwassermenge und Verbesserung der
Sickerwasserqualität und
eine Minimierung der durch Deponiegas- und Sickerwasserbildung
bedingten Setzungen im Deponiekörper
Zur Behandlung von Restabfällen eignen sich mechanisch - biologische
Abfallbehandlungsanlagen (MBA) sowie Müllverbrennungsanlagen (MVA).
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage
Behandlungskonzepte Verfahrenstufen
MBA vor der Deponie Abtrennung der heizwertreichen und sonstigen verwertbaren Anteile aus dem Restabfall und Ablagerung der verbleibenden Schwerfraktion nach biologischer Behandlung auf der Deponie
Trockenstabilatverfahren Biologische Stabilisierung des Restabfalls; Abtrennung der Leichtfraktion (Trocken-stabilat) und energetische Verwertung; weitere Aufbereitung der Schwerfraktion (Inertstoff-aufbereitung)
MA/MBA vor der Verbrennung Abtrennung der heizwertreichen und sonstigen verwertbaren Anteile aus dem Restabfall und thermische Behandlung der verbleibenden Schwerfraktion in einer MVA
MVA Restabfall wird ohne Vorbehandlung der MVA zugeführt
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage
Restabfallbehandlungskonzepte (Flamme et al., 2005)
Anzahl der Anlagen
[n]
Behandlungskapazität
[Mio. Mg/a]
Kapazität pro Anlage
[Mg/a]
Ende 2005 46 5,1 ca. 110.800
Ende 2006 51 5,7 Ca. 111.700
Ziele der mechanisch-biologischen Behandlung
Einhaltung der Kriterien der Abfallablagerungsverordnung im
abzulagernden Rest
Ziele der mechanischen Aufbereitung
optimaler Input für die biologische Stufe
Produktion von Fraktionen zur energetischen und stofflichen
Verwertung
Separierte Stoffströme
Fraktion zur biologischen Behandlung: organikreich
Fraktion zur energetischen Verwertung: heizwertreich
Fraktion zur stofflichen Verwertung (z. B. Metalle, ggf. Kunststoffe)
Fraktion zur thermischen Behandlung in MVA (Störstoffe)
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage
Mechanische Stufe [1]
Grundkonzeption mit
und ggf. mit weiteren Aggregaten
Vorsortierung
Zerkleinerung
Fe-Abtrennung
Siebung
NE-Abscheider
Ballistischer Separator
Windsichter
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage
Hausmüll (100 %)
Trommelsieb I
FE (2 %) Überbandmagnet
Trommelsieb II
NE (0,5 %) NE-Abscheider
NIR
Rotte
Ballenpresse,Verladung zur Brenn-
stoffproduktion
HKF(22 %)
Verladung zur MVA Reste (55%)
Feinkorn
Mittelkorn
Reste
HKF Reste
Überkorn
Besonderheit
Fließbild einer MBA vor MVA mit Nahinfrarotspektroskopie (nach Glorius, 2003)
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage
Mechanische Stufe [2]
Verfahren der Biologischen Stufe: siehe Grundlagen der Kompostierung / Vergärung
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage
Biologische Stufe [1]Mengenstrom einer MBA einschließlich Vergärung
Beispiele für Mengenströme einer mechanisch - biologischen Behandlung
Restabfall
60 - 80 % Hausabfall 20 - 40 % Sperr- und Gewerbeabfall
Mechanische Aufbereitung 100 %
Biologische Behandlung 40 – 60 %
Ablagerung 30 – 40 %
Energetische und stoffliche Verwertung 40 – 65 %
De
po
nie
gu
t
Bio
ga
s 0
–1
0 %
he
izw
ert
reic
he
Ab
fäll
e 3
3 –
50
%
Stö
r-/G
rob
sto
ffe
5 –
10
%
Me
tall
e 2
–5
%
Trocknungs -Verluste0 - 5 %(EBS )
Rotteverluste10 - 20 %
Stoffströme und deren Verbleib in der MBA (Übersicht), (ASA, 2006)
Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage