Empfehlungen für Kläranlagenbetreiber€¦ · Unter diesen Bedingungen ist der Energiegewinn für die Zelle durch den Abbau von organischen Molekülen allerdings viel geringer als

C:\IFA\BIOGAS\STUDIEN\FLOTAT\RICHTLIN.DOC

Empfehlungen für Kläranlagenbetreiber und Betreiber landwirtschaftlicher Biogas-

anlagen zur Verwertung biogener Abfälle in Faultürmen

Braun, R.; Himmel, W.; Steyskal, F. und Steffen R.

06.02.96

INSTITUT FÜR ANGEWANDTE MIKROBIOLOGIE

Universität für Bodenkultur Ass.Prof.Univ.Doz.DI. Dr. Rudolf BRAUN

A-1190 Wien, Nußdorfer Lände 11

Telefon 36 92 924 - 408 Fax 36 92 924 - 400

2

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Symbole ___________________________________________________ 4

1 Zielsetzungen der Empfehlungen_____________________________________________ 5

2 Der Anaerobprozeß ________________________________________________________ 5 2.1 Zielsetzung des Faulungsprozesses ________________________________________________5

2.2 Mikrobiologische Grundlagen ____________________________________________________6

2.3 Energiegehalt von Biogas ________________________________________________________8

2.4 Anaerobe Prozeßführung _______________________________________________________10 2.4.1 Vorteile der Faulung ________________________________________________________________10 2.4.2 Nachteile der Faulung _______________________________________________________________12

3 Co-Substrate für die Faulung_______________________________________________ 13 3.1 Biogene Abfälle _______________________________________________________________13

3.2 Anforderungen an Co-Substrate für eine Übernahme _______________________________15 3.2.1 Anforderungen an die kontinuierliche Übernahme_________________________________________16 3.2.2 Wassergehalt ______________________________________________________________________16 3.2.3 Nährstoffgehalt (Wertstoffgehalt)______________________________________________________17 3.2.4 Nährstoffverhältnis _________________________________________________________________17 3.2.5 Potentielle Schad- und Störstoffe ______________________________________________________17 3.2.6 Seuchenhygiene____________________________________________________________________19

4 Technische Voraussetzungen für eine Cofermentation __________________________ 19 4.1 Betriebsparameter_____________________________________________________________19

4.1.1 Hydraulische Verweilzeit ____________________________________________________________20 4.1.2 Temperatur _______________________________________________________________________21 4.1.3 Raumbelastung (organische Belastung des Reaktorvolumens)________________________________21 4.1.4 Biogasverwertung __________________________________________________________________21 4.1.5 Faulraumumwälzung________________________________________________________________22 4.1.6 Lagerkapazitäten ___________________________________________________________________22

4.2 Anlagenkonzepte ______________________________________________________________22 4.2.1 Kommunale Kläranlagen_____________________________________________________________22 4.2.2 Landwirtschaftliche Biogasanlagen ____________________________________________________23

3

5 Betriebssicherheit ________________________________________________________ 24 5.1 Überlastung der aeroben Stufe __________________________________________________26

5.2 Faulraumumwälzung __________________________________________________________26

5.3 Schadstoffe ___________________________________________________________________26

6 Bilanzierungsbeispiele ____________________________________________________ 27 6.1 Grundlagen __________________________________________________________________27

6.2 Auslegungsbeispiel 1 ___________________________________________________________28

6.3 Auslegungsbeispiel 2 ___________________________________________________________29

6.4 Zugabe von 5 % Flotatschlamm _________________________________________________29

6.5 Zugabe von 20 % Flotatschlamm ________________________________________________29

6.6 Spezifische Biogaserträge biogener Abfälle ________________________________________29

7 Rechtliche Rahmenbedingungen ____________________________________________ 29 7.1 Abfallrechtliche Zuordnung von Co-Substraten ____________________________________29

7.1.1 Substrate bzw. Co-Substrate, die nicht als Abfälle im Sinne des AWG gelten ___________________30 7.1.2 Co-Substrate, die als nicht gefährliche Abfälle eingestuft sind _______________________________32 7.1.3 Co-Substrate, die als gefährliche Abfälle eingestuft sind ____________________________________33

7.2 Grundregeln für die Übernahme von Abfällen _____________________________________35

Literaturverzeichnis ________________________________________________________ 36

Anhang ___________________________________________________________________ I

4

Abkürzungen und Symbole Symbol Name Einheit Erklärung a Jahr

AWG Abfall-Wirtschafts- Bundesgesetzblatt Gesetz

BHKW Block-Heiz-Kraft- Gasmotor-Generatoreinheit Werk

BG Biogas

BR Raumbelastung kg OTS/m³ (* d) OTS-Fracht pro Faulraumvol. (und Tag)

CH4 Methan

C:N Kohlenstoff zu Stick- Wert- oder Nährstoffgehalt eines Substrates stoff - Verhältnis

Cs 137 Caesium 137 Isotop des Elements Caesium mit dem Atomgewicht 137

CSB Chemischer mg O2/l Menge an in einem bestimmten Volumen Sauerstoffbedarf bzw. kg O2/m³ enthaltener chemisch oxidierbarer Substanz

d Tag

et al. et alii (lateinisch) und andere

E Energieinhalt kWh bzw. J gesamter chemischer Energieinhalt

eE elektr. Energie kWh bzw. J über den Wirkungsgrad prod. elektr. Energie

tE therm. Energie kWh bzw. J über den Wirkungsgr. prod. therm. Energie

EGW Einwohnergleichwert Dimensionsgrundlage einer Kläranlage

GV Glühverlust % Menge an organischer Substanz bezogen auf die Trockensubstanz (TS)

ha Hektar 100m * 100m = 10.000 m²

nCi nanoCurie Curie Aktivität einer radioaktiven Substanz

Nm³ Normkubikmeter m³ Volumen bez. auf 0°C und 1013,25 mbar

OTS Organische % Gewichtdifferenz zwischen der TS und der Trockensubstanz Asche (bei 600°C geglüht) bezogen auf das Gewicht des Frischsubstrates

PG Gasproduktivität m³/m³ (* d) Gasmenge pro Faulraumvolumen (und Tag)

θ Hydraulische d Faulraumvolumen/Frischsubstratmenge Verweilzeit ‘theta’ bzw. Substratkonz./Raumbelastung

TKV Tierkörperverwertung

TS Trockensubstanz % Gewicht des Substrates nach der Trocknung bei 105°C bez. auf das Gewicht des Frischsubstrates

V Volumen m³

YG Biogasausbeute m³/kg OTS Gasmenge pro OTS-Fracht

%v/v Volumsprozent %

5

1 Zielsetzungen der Empfehlungen Für Kläranlagenbetreiber mit vorhandenen Einrichtungen zur Klärschlammfaulung oder für die Betreiber landwirtschaftlicher Biogasanlagen stellt sich oftmals die Frage, ob überhaupt bzw. in welchem Ausmaß externe Materialien (Co-Substrate) zur Mitverarbeitung (Vergärung) übernommen werden sollen bzw. welche rechtlichen und technischen Voraussetzungen bei der Übernahme von externen, biogenen Abfällen erfüllt werden müssen. Vielfach ergibt sich für bestehende betriebliche, kommunale oder landwirtschaftliche Anaerobanlagen die Möglichkeit, durch die Mitverarbeitung energiereicher, organischer Substrate die Faulgasproduktion beträchtlich zu steigern, was im Falle einer guten Verwertungsmöglichkeit für diese zusätzlichen Gasmengen sowohl ökologisch als ökonomisch von Interesse sein kann. Aus abfallwirtschaftlicher Sicht ist vor allem für bestimmte, leicht abbaubare organische Abfälle mit einem hohen Wassergehalt eine anaerobe, biologische Abfallbehandlung von Interesse, besonders dann, wenn die bei diesem Vorgang entstandenen Stoffwechselprodukte (Biogas und Faulschlamm) einer entsprechenden Verwertung zugeführt werden können. Die Fachabteilung Ic des Amtes der Steiermärkischen Landesregierung hat daher Herrn Univ.-Doz. Dr. Rudolf Braun, Institut für Angewandte Mikrobiologie der Universität für Bodenkultur, mit der Durchführung eines Pilotprojektes beauftragt, bei dem die Möglichkeit bzw. die Auswirkungen der Mitvergärung von Flotatschlamm aus einer Geflügelschlächterei an einer kommunalen Kläranlage untersucht werden sollten. Ein Versuchsreaktor wurde an der Großkläranlage der Stadt Graz - Gössendorf mit freundlicher Unterstützung des Kanalbauamtes der Stadt Graz über den Projektszeitraum von Anfang Dezember 1994 bis Ende Mai 1995 betrieben. Die Erfahrungen dieser Untersuchungen sowie entsprechende Erfahrungen der Projektgruppe hinsichtlich der Mitvergärung von Substraten in kommunalen Kläranlagen sowie in landwirtschaftlichen Biogasanlagen werden in diesen Empfehlungen zusammengefaßt. Diese Unterlage soll dem Praktiker einen schnellen Überblick über relevante Informationen geben, die für eine Entscheidungsfindung von Bedeutung sind. 2 Der Anaerobprozeß

2.1 Zielsetzung des Faulungsprozesses

Der Anaerobprozeß wird mit unterschiedlichen Zielsetzungen angewendet. Im Bereich kommunaler Kläranlagen wird der bei der biologischen Abwasserreinigung anfallende Klärschlamm (Bakterienbiomasse) zur Verringerung der Geruchsbelästigung und zur Verbesserung der Separationseigenschaften anaerob stabilisiert. Das bei diesem Prozeß anfallende Faulgas kann an der Kläranlage als Energieträger zum Antrieb von Gasmotoren (Lufteintrag im Belebungsbecken), zur weitergehenden Klärschlammtrocknung, zur Verstromung und zur Beheizung der Gebäude verwendet werden. Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen wird überwiegend Gülle aus dem Bereich der Intensivtierhaltung einer anaeroben Behandlung zugeführt. Dadurch kann die

6

Geruchsintensität von Gülle, insbesonders von Schweinegülle, deutlich verringert und die Düngewirkung verbessert werden. Landwirtschaftliche Biogasanlagen können aber auch einen wesentlichen Beitrag zur Deckung des elektrischen und thermischen Energiebedarfes eines landwirtschaftlichen Betriebes leisten. Die derzeit billig verfügbaren fossilen Energieträger (Erdöl und Erdgas) stehen einer breiten Anwendung des Anaerobprozesses aus der alleinigen Sicht der Energieversorgung jedoch im Weg. Unter Beachtung der Probleme des zunehmenden CO2-Gehaltes in der Erdatmosphäre ist die Energiegewinnung über einen Anaerobprozeß als klimaneutral einzustufen, sofern biogene Abfälle Verwendung finden. Das erzeugte Methan als Abbauprodukt pflanzlicher Ausgangsprodukte (Photosynthese), wird im Wege der Verbrennung wieder als CO2 der Erdatmosphäre zurückgeführt (Kreislauf). Eine konsequente Verwertung von biogenen Rohstoffen zur Erzeugung von Biogas als Energieträger kann somit dazu beitragen, die Anreicherung von CO2 in der Erdatmosphäre aus fossilen Energieträgern zu reduzieren. 2.2 Mikrobiologische Grundlagen

Die Methangärung (Faulung) als natürlich ablaufender Prozeß tritt in der Natur überall dort auf wo organisches Material unter Luftabschluß (Sauerstoffausschluß) gerät. Auf diese Weise hat die Faulung einen erheblichen Anteil am Mineralisierungsprozeß bzw. Stoffkreislauf der Erde. Der anaerobe Abbau von organischem Material erfolgt in vier aufeinanderfolgenden Stufen mit unterschiedlichen Organismengruppen (Fig. 1). Während der ersten Phase, der Verflüssigungsphase, spalten Mikroorganismen gelöste und ungelöste Verbindungen, wie Proteine, Fette und Kohlenhydrate durch Enzyme und bereiten die gelösten Bruchstücke so auf, daß sie ins Zellinnere aufgenommen werden können.

In der Versäuerungsphase werden in den Zellen durch verschiedene Umwandlungsprozesse CO2, H2, Alkohole und vor allem organische Säuren (Fettsäuren) gebildet. In der nachfolgenden Essigsäure-Phase werden die gebildeten organischen Säuren weiterverarbeitet. Neben CO2 und H2 wird dabei hauptsächlich Essigsäure gebildet. Die Spaltung höherer Fettsäuren erfolgt nur dann, wenn der dabei entstehende Wasserstoff simultan aus dem System entfernt wird. Dies erfolgt durch die parallel ablaufende Methanbildung. Die Methanphase als eigentliche Methangärung beschränkt sich auf die Bildung von Methan aus CO2 und H2, bzw. aus einfachen Verbindungen wie Ameisensäure, Essigsäure und Methanol, welche aus den Vorstufen anfallen.

7

Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß) Verflüssigungs- Phase

Bruchstücke und gelöste Polymere Säurebildungs- Phase

H2 CO2 organ. Säuren Essigsäure Alkohole Essigsäure- Phase Essigsäure Methanogene Phase Methan

Fig. 1: Stufenweiser Abbauprozeß der Methangärung

Dabei ist die Wachstumsgeschwindigkeit der Methanbakterien niedriger als die der säurebildenden Mikroorganismen. Wie bereits erwähnt gehören die Methanbakterien zur Gruppe der strikten Anaerobier, d.h. diese Mikroorganismen können nur unter Sauerstoffabschluß existieren. Unter diesen Bedingungen ist der Energiegewinn für die Zelle durch den Abbau von organischen Molekülen allerdings viel geringer als unter aeroben Bedingungen (in Gegenwart von Sauerstoff). Ein Großteil der im Substrat enthaltenen Energie (ca. 90%) wird in Form von Methan wieder ausgeschieden und ist somit nicht mehr für das Wachstum der Mikroorganismen verfügbar. Aerobe Mikroorganismen oder falkutative Anaerobier (diese können unter aeroben und anaeroben Bedingungen leben; beispielsweise die säurebildenden Mikroorganismen) hingegen können den Energieinhalt im Substrat wesentlich effizienter für die Zellneubildung nutzen. Die umgesetzte Energie wird dabei zum mikrobiellen Wachstum verwendet. Ein Teil davon wird zusätzlich als Wärme abgeben (z.B. Komposthaufen). In Figur 2 (Kap. 2.4.1) wird die Energietransformation unter aeroben und anaeroben Bedingungen schematisch dargestellt und miteinander verglichen. Durch diesen Unterschied der Wachstumsgeschwindigkeiten kann bei hohem Substratangebot die Säurebildung schneller als deren Abbau zu Methan sein und zu einem starken Absinken des pH-Wertes führen. Das wiederum führt zu einer

8

Hemmung der Methanbakterien und zu Prozeßinstabilitäten, wodurch die Produktion an Methangas zum Erliegen kommt. Es gibt eine große Anzahl an weiterführenden Veröffentlichungen zum Thema Methangärung. Stellvertretend für die Theorie der Methangärung sei auf die Werke von Braun (1982), Wellinger et al. (1984), auf die Anwendung der Anaerobtechnologie in der Industrieabwasserreinigung (Atanasoff, 1988), in der Landwirtschaft (Padinger, 1986; Wenzlaff, 1981; Maurer et al., 1982) sowie in der biologischen Abfallentsorgung (Steyskal, 1992 und Böhnke et al., 1993) hingewiesen. 2.3 Energiegehalt von Biogas

Bei anaeroben Prozessen werden die Ausgangssubstanzen (Fette, Eiweiß und Kohlenhydrate) zu Biogas und Wasser umgesetzt, wobei der Energieinhalt der Ausgangsverbindungen im Stoffwechselprodukt Methan erhalten bleibt. Dieses Biogas ist ein dem Erdgas ähnliches Gasgemisch dessen Hauptbestandteil Methan (CH4), und ein geringerer Teil Kohlendioxid (CO2) ist. Das Verhältnis dieser beiden Gase zueinander hängt von der Substratbelastung und dem Zusammenspiel der einzelnen Organismengruppen ab. Dementsprechend variiert auch der Energieinhalt mit der Zusammensetzung des Biogases. Bei einem durchschnittlichen Methangehalt im Biogas von 70 % CH4 resultiert ein Energiegehalt von 6,97 kWh pro Nm3 (Tab. 1). Neben diesen beiden Hauptbestandteilen können je nach Substrat noch Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3) oder andere Gase in geringer Menge vorhanden sein. Auch die bei der Cofermentation eingesetzten Substrate unterscheiden sich in Bezug auf ihre Abbaubarkeit und deren Nährwert für die Mikroorganismen. Die Grundbestandteile der Nahrungsmittel weisen unterschiedliche Energieinhalte auf. Diese kann man aus einschlägigen Nährwerttabellen entnehmen: Fette : rd. 37.800 kJ/kg

energiereichste Nahrungsmittel bei geringstem Wassergehalt (z.B. Butterschmalz, Gänseschmalz, Leinöl, Lebertran)

Eiweiß rd. 4.200 kJ/kg bei mittlerem Wassergehalt von rd. 70 % der TS (fettfreies Muskelfleisch wie z.B. Hühnerbrust, Filet)

Kohlenhydrate 16.800 kJ/kg (reiner Kristallzucker, wasserfrei)

Diese Nährwerte lassen sich auch mit den Heizwerten von üblichen Energieträgern direkt vergleichen:

Methan (Erdgas) 35.884 kJ/Nm3 (kJ/kg) Heizöl extra leicht 42.910 kJ/kg Holz (lufttrocken) rd. 15.000 - 16.000 kJ/kg

9

Für die einzelnen Stoffgruppen lassen sich bei theoretisch vollständiger Umsetzungsreaktion folgende Kennzahlen ableiten:

Stoffgruppe

Gasertrag

(Liter/kg OTS)

Gaszusammensetzung

Vol-%

Fette rd. 1.400 70 % CH4 + 30 % CO2

Eiweiß rd. 1.000 50 % CH4 + 50 % CO2

Kohlenhydrate rd. 800 50 % CH4 + 50 % CO2 Im allgemeinen liegt der brennbare CH4-Anteil im Biogas bei etwa 60 Vol-%, der übrige Anteil besteht im wesentlichen aus CO2. Mit dieser Zusammensetzung weist das Biogas einen Heizwert von 21.500 kJ/Nm3 (bzw. rd. 6 kWh/Nm3) auf. Die im Substrat enthaltene Energie (Heizwert bzw. Nährwert) wird beim anaeroben Verfahren von den beteiligten Mikroorganismen nur zu einem geringen Anteil (ca. 10 %) selbst verwertet (langsames Wachstum und nur geringe Bakterienbiomassezunahme), da die im Substrat enthaltene Energie zum überwiegenden Anteil (ca. 90 %) im gebildeten Reaktionsprodukt (Methan) verbleibt. Bei aeroben Verfahren, wie z.B. der Kompostierung, oder der biologischen Abwasserreinigung in kommunalen Kläranlagen, werden die im Substrat enthaltenen organischen Verbindungen (Nährstoffe) vollständig zu CO2 und H2O umgesetzt. Die im Substrat enthaltene chemische Energie kann somit von den Mikroorganismen selbst genützt werden, was sich in einem raschen Bakterienwachstum dokumentiert. Rund 50% der im Substrat enthaltenen Energie wird zur Neubildung von Bakterienbiomasse genützt, der Rest wird in Form von Wärme freigesetzt (z.B. steigt im Komposthaufen die Temperartur bis über 70 °C). Das ist auch der Grund, warum bei der aeroben biologischen Abwasserreinigung etwa 50% der im Abwasser enthaltenen organischen Fracht als Klärschlamm anfallen.

10

Tab. 1: Zusammensetzung und Eigenschaften von Biogas und dessen Einzelkomponenten

Eigenschaft Bestandteil CH4 CO2 H2 H2S Biogas Biogas (60% CH4) (70% CH4) Volumsanteil im Biogas [% v/v] ∼55-70 ∼27-44 <1 ∼0,5-3 100 100 Brennwert [MJ/m³] 39,82 - 23,9 27,9 Heizwert, unterer [MJ/m3] 35,88 - 10,8 22,8 21,5 25,1 [kWh/m3] 9,96 - 3,0 6,33 5,98 6,97 [kcal/m3] 8575 - 2581 5449 5140 6000 Explosionsgrenze [% v/v CH4 in Luft] 5-15 - 4-80 4-45 5,4-13,9 Zündtemperatur [°C] 650-750 585 700 krit. Druck [bar] 47 75 13 89 75-89 krit. Temp. [°C] -82,5 31 100 82,5 Dichte normal [g/l] 0,72 1,98 0,09 1,54 1,2 Dichte krit. [g/l] 162 468 31 349 320 Dichteverhältnis zu Luft 0,55 2,5 0,07 1,2 0,94 2.4 Anaerobe Prozeßführung

2.4.1 Vorteile der Faulung

Aus ökologischer Sicht ist der Abbau der organischen Substanz biogener Abfälle (Mineralisierung) bzw. deren Massenreduktion in der Faulung vorteilhaft. In der Kläranlage können bestehende Strukturen (Faultürme) in vielen Fällen besser genutzt werden. Insbesonders im Falle der weitergehenden Abwasserreinigung (Stickstoffelimination) resultieren höher stabilisierte Klärschlämme mit geringerem Faulvermögen wodurch oft Faulraumkapazität verfügbar wird. Zusatzstoffe in Form von biogenen Abfällen sind somit im Sinne der besseren Nutzung bestehender Strukturen zweckmäßig und haben für den Betreiber den Vorteil höheren Biogasanfalls. Die direkte Einbringung von biogenen Abfällen in die Faultürme der Kläranlagen hat weiters den Vorteil, daß diese Abfälle nicht ins Kanalsystem gelangen und somit Störungen wie Fettaushärtungen und Überlastungen infolge höherer Abwasserkonzentration im Belebungsbecken ausgeschlossen werden. Dies ergibt im Endeffekt auch eine Verringerung der Energiekosten für die Belüftung. Im Gegensatz zum aeroben Abbau wird der organische Kohlenstoff unter anaeroben Bedingungen nur zu 5-10 % zum Aufbau neuer Biomasse (Überschußschlamm)

11

verwertet. Beim Hauptprodukt des Stoffwechsels (90-95%) wird energiereiches Biogas abgegeben (Fig. 2). Biogas kann direkt als Brenngas verbrannt werden, oder es kann in einem BHKW in elektrische und thermische Energie umgewandelt werden. Zu dieser letzten Verwertung muß allerdings angemerkt werden, daß nicht der ganze Energieinhalt rückgewonnen wird, sondern daß ein Teil als Wärme (2/3) verloren geht. Moderne Kraft-Wärme-Kupplungen haben aber schon einen Wirkungsgrad für thermische und elektrische Energie von 90%.

Fig. 2: Vergleich der Energietransformation aerober (Kompostierung) und

anaerober (Faulung) Prozesse Durch die anaerobe Faulung resultieren eine Abnahme des C:N-Verhältnisses und eine Reduktion des Trockensubstanzgehaltes. Entsprechende Messungen ergaben im Durchschnitt einen Abbau der organischen Substanz um 50 - 80 %. Je nach OTS-Gehalt des biogenen Abfalls verringert sich die Gesamtfracht (TS) erheblich, wodurch für die Kläranlage letztlich niedrigere Entsorgungskosten resultieren. Durch die Strukturänderungen des Schlammes im Zuge der Faulung resultiert eine Verbesserung der Entwässerungseigenschaften des anaeroben Faulschlammes gegenüber dem aeroben Klärschlamm. Neben der Massenreduktion resultiert daher noch eine zusätzliche Reduktion der Einsatzmenge von Hilfsstoffen für die Entwässerung (Flockungsmittel). Der Überschußschlamm aus einer Methangärung gilt als weitgehend stabilisiert, das Faulwasser als Flüssigphase muß jedoch einer weitergehenden aeroben Reinigung zugeführt werden. Schlamm aus einer Faulung muß vor Ausbringung zwecks Geruchsstabilisierung noch einer mehrtägigen aeroben Nachrotte unterzogen werden.

12

Nicht zuletzt sollte auch noch darauf hingewiesen werden, daß die Faulung in einem geschlossenen System stattfindet. Dadurch können auch geruchsintensive Substrate ohne Belästigung der Anrainer verwertet werden. Durch die Vergärung werden im Normalfall die Geruchsstoffe großteils abgebaut, sodaß im Anschluß keine Belästigung mehr feststellbar ist. Biogene Abfälle werden gegenwärtig in immer stärkerem Maße auch in den Biogasanlagen landwirtschaftlicher Einzelbetriebe dezentral ausgefault. Diese Verwertung hat zwar einerseits den Vorteil, daß aufgrund der dezentralen Behandlung der Transportaufwand minimiert wird und die Gefahr der Kontamination mit pathogenen Organismen sowie einer Seuchenausbreitung durch die Beschränkung auf Abfälle aus einem kleineren Einzugsgebiet verringert wird. Andererseits sollte die landwirtschaftliche Verwertung aber nicht dazu führen, daß die Biogasanlagenbetreiber zur Entsorgung von undefinierten Abfällen verleitet werden. Vor allem aufgrund der meistens fehlenden Pasteurisierungseinrichtungen und analytischen Kontrollmöglichkeiten (Schadstoffe), sind in diesen Anlagen gemischte Abfälle undefinierter Herkunft nicht zu empfehlen und die geordnete Übernahme in Kläranlagen vorzuziehen. Andererseits ist in vielen Fällen die Vergärung von „gefährlichen Abfällen“ gemäß AWG, wie z.B. die Glyzerinphase aus der Biodieselproduktion als zweckmäßige Vorgangsweise anzusehen. 2.4.2 Nachteile der Faulung

Durch die Zugabe der Zusatzstoffe kann es bei unzureichender Kontrolle zu einer Überlastung und somit zu einer pH-Abnahme und im Extremfall zu Störungen des Faulturms kommen. In diesem Sinne ist zu empfehlen, vor der Übernahme von biogenen Abfällen die maximale Raumbelastung in Gärtests (Laborversuchen) zu ermitteln. Durch flotierende bzw. rasch abbaubare Bestandteile, vor allem durch Fett, kann es zu Schaumbildung und Schwimmdeckenbildung kommen, wodurch die Ablaufwerte der Kläranlage (Trübstoffe) verschlechtert werden können. Durch Feststoffe können Ablauf bzw. Zulaufleitungen verstopft werden bzw. infolge Belagsbildung zuwachsen. Durch seuchenhygienisch belastetes biogenes Material wird unter Umständen der gesamte Faulschlamm kontaminiert. In diesem Fall muß eine Pasteurisierungs-einheit (Erhitzung des Materials auf 70 °C während 30 Minuten) nach- oder vorgeschalten werden. In diesem Fall müßten mikrobiologische Untersuchungen durchgeführt werden. Die erforderliche Beheizung des Faulturms auf zumindest 35 °C muß als Nachteil angeführt werden, da die Wärme im Gegensatz zur Kompostierung nicht von den Mikroorganismen selber produziert wird. Dadurch ist ein Teil der im Biogas enthaltenen Energie für die Substraterwärmung notwendig. Dieser Eigenenergiebedarf kann aber meistens über die Überproduktion an thermischer Energie aus dem BHKW gedeckt werden. In diesem Zusammenhang ist aber auch zu beachten, daß die Speicherkapazität für das Biogas normalerweise begrenzt ist. Die im Normalfall verwendeten

13

Folienspeicher sind meistens auf eine Tagesproduktion ausgelegt. Die Gasverwertung (im BHKW) muß also dementsrechend ausgelegt sein, sodaß die Gasmenge kontinuierlich vollständig genutzt werden kann, da eine Speicherung nicht möglich bzw. sehr kostenaufwendig ist. Für den Fall eines Ausfalles der Kraft-Wärme-Kopplung sollte demnach eine Gasfackel vorhanden sein. Durch diverse Hemmstoffe (Antibiotika, Desinfektionsmittel, Detergentien) kann der Stoffwechsel der Mikroorganismen und damit auch der Prozeß gestört werden (siehe dazu Kap. 3.2). Vor allem bei der Übernahme von Schlachtabfällen sollte diesem Aspekt Rechnung getragen werden. Die hemmende Wirkung von Schwermetallen auf die Mikroorganismen ist ohne Bedeutung, da derartig belastete Abfälle für eine Cofermentation auszuschließen sind. Dadurch würde das Endprodukt Klärschlamm (Kompost) mit Schwermetallen kontaminiert werden und wäre daher in der Landwirtschaft nicht mehr verwertbar. Durch die Vergärung kann es außerdem zu erhöhten Trübwasserkonzentrationen in Bezug auf den CSB und vor allem hinsichtlich der Stickstoffbelastung in der Belebung kommen. 3 Co-Substrate für die Faulung

3.1 Biogene Abfälle

Die Bezeichnung Co-Substrate soll zum Ausdruck bringen, daß in bestehende Anaerobprozesse wie z.B. der Klärschlammfaulung oder der anaeroben Güllebehandlung in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage bestimmte biogene Abfälle in untergeordneter Menge beigefügt werden können, um so den Biogasertrag zu steigern, ohne dabei die Prozeßstabilität zu gefährden. Die Co-Substrate dürfen in weiterer Folge auch keine nachteiligen Auswirkungen bei der Klär- bzw. Faulschlammverwertung bewirken. Im allgemeinen wird es sich bei Co-Substraten um Reste, Nebenprodukte oder Abfälle definierter Herkunft handeln. Als Co-Substrate kommen somit in erster Linie solche Stoffe in Betracht, die einen hohen Anteil organisch abbaubarer Substanz aufweisen und aufgrund eines hohen Wassergehaltes der Kompostierung nicht mehr zugeführt werden können. Basierend auf der Faulung von Klärschlamm in kommunalen Kläranlagen, bzw. Gülle und Mist in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, kommen folgende biogene Abfälle für eine Cofermentation in Frage:

14

• Speisereste (sollten jedoch nach Möglichkeit nach Pasteurisierung verfüttert werden)

• Rückstände aus der Gemüse- und Obstverarbeitung (sofern nicht kompostierbar) • Flotatschlämme • pflanzliche und tierische Öl- bzw. Fettrückstände • Magen- und Darminhalte (z.B. von Schlachttieren - insbesonders Panseninhalt) • Rückstände aus der fleischverarbeitenden Industrie • Nebenprodukte aus der Biodieselerzeugung (Glyzerinphase) Für verschiedene Materialien sind in den nachfolgenden Tabellen 2 und 3 für den Anaerobprozeß wichtige Parameter wie z.B. das C/N-Verhältnis, der Wassergehalt, der Anteil der organischen Trockensubstanz an der Trockensubstanz (TS), sowie Literaturdaten über Biogasausbeuten zusammengestellt. Diese Werte sind als Richtwerte zu verstehen. Tab. 2: Nährstoffverhältnis, Trockensubstanz (TS) und organische Trockensubstanz (OTS) verschiedener biogener Abfälle

Material C:N-Verh. Wassergeh.(%) OTS (% der TS) Papier 173 4-8 (16) 74 Holzhächsel 60-150 10-30 95 Blattmaterial 40 -80 20 90 Laub 30-60 20 90 Sägespäne 511 20-80 95 Stroh 90 30 90 Holzabfall 723 30-40 99,6 Grünschnitt 100-150 30-40 90 Rinde 20-200 (500) 50 90 Grasschnitt 12-25 75-80 90 Obstabfall 35 80-85 75 Flotatschlamm n.a. 88,5 97 Speisereste n.a. 90 80 Faulschlamm 15,7 92-96 50-60 Klärschlamm 6,3 95,5-99,5 50-60

15

Tab. 3: Biogasausbeuten diverser biogener Abfälle (alle Angaben in m³/kg OTS) Schlempen 1) 0,5-0,63 Gemüseabfall 1) 0,52-0,54 Kartoffelkraut 5) 0,56 Zuckerrübenblatt 5) 0,50 Fettabscheiderrückstände 5) ∼1,20 Alt-Fritier-Fett 5) 1,038 Obstabfall 1) 0,55-0,62 Hausmüll 1) 0,44-0,46 Flotatschlamm 2) 0,6-0,7 Grassilage 3) 0,56 Maispflanze 3) 0,75 Rindermist 3) 0,18 Rindergülle 5) 0,25 Hühnerkot 5) 0,45 Schweinegülle 6) 0,60 Weizenstroh (3 cm) 3) 0,17 Weizenstroh (0,1-2,0 mm) 3) 0,33 Klärschlamm 4) 0,61 Panseninhalt 4) 0,45 1) Valkanas, 1984; 2) Braun et al, 1996; 3) Wellinger et al, 1984; 4) Wenzlaff, 1981; 5) Euler et al, 1994; 6) Steyskal, 1992; 3.2 Anforderungen an Co-Substrate für eine Übernahme

Die Entscheidung zur Übernahme von biogenen Abfällen und die Verfahrenswahl wird von zahlreichen Faktoren beeinflußt und ist daher im Einzelfall jeweils zu prüfen. Die wichtigsten Entscheidungskriterien sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Über nachfolgend angeführte Parameter sollen entsprechende Angaben vorliegen: • Menge (Masse), die pro Zeiteinheit (z.B. Tag, Woche) bei möglichst

kontinuierlicher Anlieferung übernommen werden soll • Angaben über die Zusammensetzung:

- Wassergehalt (Gew-%, sollte nicht unter 80% liegen) - Nährstoffgehalt (abbaubare org. Substanz, OTS in % der TS, sollte über 50%

liegen - Nährstoffverhältnis (C:N-Verhältnis sollte etwa 15-20:1 betragen) - Nachweis potentieller Schad- und Störstoffe (z.B. Antibiotika, Schwermetalle,

Schwimmdeckenbildner u.a.m.) • Hygienische Aspekte (Herkunftsangaben, erfolgte Vorbehandlung etc.)

16

Tab. 4: Wesentliche Entscheidungskriterien für die Übernahme biogener Abfälle zur Faulung

Entscheidungsparameter Richtwerte

1) Wassergehalt 80 % bis 99,5 % 2) Wertstoffgehalt (abbaubare org. Substanz) ≥50% der TS 3) Nährstoffverhältnisse (C:N-Verhältnis) optimal 20 : 1 4) Desinfektionsmittel siehe Tabelle 5 5) Schwermetalle siehe Tabelle 8 6) Anfallsmodus der Abfälle möglichst kont. Anfall 7) Hygiene nur hygienisch unbedenkliche

Zusatzstoffe 3.2.1 Anforderungen an die kontinuierliche Übernahme

Die diskontinuierliche Zugabe von biogenen Abfällen ist zwar im Prinzip möglich, verursacht aber Stoßbelastungen und somit auch eine diskontinuierliche Gasproduktion. Im Hinblick auf die Verwertung des Biogases sollte, falls möglich, auf die Dosierung Rücksicht genommen werden. Inwieweit ein Reaktor Stoßbelastungen ausgleichen kann hängt einerseits von der aktuellen hydraulischen Belastung, der Raumbelastung sowie von CSB, OTS und vom pH-Wert der Zusatzstoffe ab und muß im Einzelfall jeweils geprüft werden. Bei diskontinuierlichem Zugabemodus ist jedoch besonders auf mögliche Störungen der Faulung zu achten. 3.2.2 Wassergehalt

Bei der Betrachtung der beiden hauptsächlich angewendeten Entsorgungs- bzw. Verwertungsverfahren, der Kompostierung und der Methangärung, ist der Wassergehalt maßgeblich für die Verfahrenswahl entscheidend. Je nach Kornstruktur werden biogene Abfälle mit einem Wassergehalt von über 70 % nur schlecht oder überhaupt nicht zur Kompostierung geeignet sein und sollten der Methangärung zugeführt werden. Trockenere Abfälle (H2O - Gehalt kleiner 70-80%) dagegen müßten vor der Einbringung in eine Biogasanlage entsprechend verdünnt werden (Wasserzugabe). Derartige Abfälle sind daher vorzugsweise zu kompostieren.

17

3.2.3 Nährstoffgehalt (Wertstoffgehalt)

Der Wertstoffgehalt eines Abfalls wird im wesentlichen von der organischen Substanz bestimmt. Biogene Abfälle mit einem OTS-Gehalt von über 90 % der TS eignen sich dementsprechend besonders gut für die Faulung. Die untere Grenze für eine sinnvolle Verwertung kann mit etwa 50% OTS Gehalt (% der TS) angegeben werden. In Zusammenhang mit dem OTS-Gehalt ist dessen Abbaubarkeit für die Mikroorganismen wichtig. So besitzt Holzabfall zwar einen niedrigen Wassergehalt und eine sehr hohe OTS, eignet sich aber kaum zur anaeroben Verwertung, da die lignininkrustierte Zellulose schwer für Mikroorganismen verfügbar ist. Stroh und Holzreste sind daher weniger zur Faulung geeignet. 3.2.4 Nährstoffverhältnis

Das Nährstoffverhältnis der biogenen Abfälle, insbesonders das C:N - Verhältnis (Kohlenstoff- zu Stickstoffgehalt), ist für das Wachstum der beteiligten Mikroorganismen ausschlaggebend. Das optimale C:N-Verhältnis beträgt etwa 20:1. Im allgemeinen ist in komplexen Abfällen wie Klärschlamm, Speiseresten oder pflanzlichen Abfällen das Nährstoffverhältnis ausgeglichen (vergl. Tab. 2). Bei zu geringem Kohlenstoffgehalt oder zu hoher Stickstoffkonzentration muß jedoch eine weitere Kohlenstoffquelle zugemischt werden. Bei Stickstoffmangel muß ein stickstoffreicher Abfall zum Nährstoffausgleich zugemischt werden. Bei speziellen Abfällen wie Industrieabläufen oder Abfällen mit hohem Zelluloseanteil kann Stickstoffmangel auftreten. Ein Stickstoffüberschuß tritt selten auf (z.B. Hühnerkot). 3.2.5 Potentielle Schad- und Störstoffe

Die zu übernehmenden Co-Substrate dürfen weder den Anaerobprozeß noch nachfolgende Verwertungsmaßnahmen z.B. die landwirtschaftlichen Klärschlamm-verwertung beeinträchtigen. Als Schad- oder Störstoffe treten neben Schwermetallen, Desinfektionsmitteln oder Antibiotika fallweise Verunreinigungen wie Plastikfolien, Papier, Textilien und Knochen auf. Es ist bekannt, daß bestimmte in der Landwirtschaft verwendeten Antibiotika oder in der Lebensmittelindustrie verwendeten Desinfektionsmittel eine Störung des Anaerobprozesses bewirken können. Es ist daher zu prüfen, ob mit dem Co-Substrat Antibiotika oder Desinfektionsmittel in die Biogasanlage eingeschleppt werden können. Desinfektionsmittel werden je nach chemischer Struktur im Idealfall abgebaut oder verbleiben auch unabgebaut im Faulwasser. In Tabelle 5 sind die Wirkungen einiger Stalldesinfektionsmittel auf den Faulprozeß beschrieben.

18

Tab. 5: Wirkung von Stalldesinfektionsmitteln auf die Biogasproduktion bei korrekter Dosierung verglichen zum Kontrollwert ohne Desinfektions-mittelzusatz (Wellinger, 1984)

Keine Hemmung : -; Hemmung zwischen 3 und 10 % : +; 10 und 20% : ++; 20 und 30% : +++ und mehr als 30% : ++++

Handelsname Hemmung

Betoran 200 + Buraton 25 + Dekaseptol ++++ Durosept +++ Incidin 02 + Incidin anticoc +++ Lethane 100 + Lysococ ++++ Lysoformin vet. - Lysovet PA + Multifor Des + Pantasept - Tego 51 + Tegodor - Weladyn + Weiters ist vor der Zumischung eines Co-Substrates zu prüfen, ob durch bestimmte Inhaltsstoffe beispielsweise eine Anreicherung bestimmter Eiweißverbindungen mit erhöhtem Schwefelanteil, oder durch Zugabe von stark sulfathältigen Abfällen im erzeugten Biogas mit einer Erhöhung des korrosiv wirkenden und geruchsintensiven Schwefelwasserstoff (H2S) gerechnet werden muß. Außerdem wirkt der H2S ab einer gewissen Konzentration hemmend auf die Methanbakterien. In der Literatur wird die kritische Konzentration vielfach mit 1 Volumsprozent im Biogas angegeben (Wellinger, 1984). Aus eigenen Erfahrungen konnte aber festgestellt werden, daß sogar noch Konzentrationen von über 1,5% das Gärverhalten kaum beeinflussen. Es wird weiters bei der erstmaligen Übernahme eines bestimmten Co-Substrates zu prüfen sein, ob die gesetzlichen Bestimmungen nach dem Steiermärkischen Bodenschutzgesetz (LGBl. Nr. 66/1987), der Gülleverordnung (LGBl. Nr. 88/1975) und der Klärschlammverordnung (LGBL. Nr. 89/1987) sowie die Vorgaben des Wasserrechtsgesetzes (BGBl. Nr. 215/1959 i.d.g.F.) eingehalten werden können. Konkret wird in diesen Bestimmungen die maximale Ausbringungsmenge (jährlich dürfen 1,25 t Klärschlamm-TS /ha Grünland und 2,5 t Klärschlamm-TS/ha Ackerland ausgebracht werden), die Begrenzung des maximal zulässigen Stickstoffeintrags in den Boden (max. 210 kg Reinstickstoff pro ha und Jahr - im Grünland) und die Klärschlammbeschaffenheit (z.B. Schwermetallgehalte) geregelt. Der Schwermetallgehalt von biogenen Reststoffen liegt üblicherweise weit unter den höchsten von der Klärschlammverordnung erlaubten Werten. Dennoch führt die langfristige Ausbringung von auch nur gering schwermetallbelasteten Schlämmen zu einer Schwermetallakkumulation im Boden. Es empfiehlt sich daher eine Kennzeichnungspflicht allfällig zu übernehmender biogener Abfälle und das Anlegen eines Analysenprotokolls.

19

Es ist daher zu prüfen, ob auch der durch die Co-Substratvergärung vermehrt anfallende Faulschlamm noch gesetzeskonform verwertet werden kann. Im Anhang werden die gesetzlichen Bestimmungen für die Ausbringung von Klärschlamm und Gülle sowie die hierzu notwendigen Bodenuntersuchungen genau dargestellt. Hauptkriterium ist hierbei der Schwermetallgehalt dessen gesetzliche und mikrobiologische Grenzkonzentrationen (Toxizität) in Tabelle 9 zusammengefaßt werden. Weiters ist zu prüfen, ob durch die Einbringung von Co-Substraten vorhandene Einrichtungen zur Reaktordurchmischung beeinträchtigt werden können (z.B. Verstopfung von Umwälzpumpen durch Kunststofffolien) bzw. ob mit einer verstärkten Schwimmdeckenbildung (z.B. durch aufschwimmendes Fasermaterial) zu rechnen ist. Auf die technischen Voraussetzungen für den Reaktor und die Prozeßführung sowie die notwendige Infrastruktur wird in Kapitel 4 noch näher eingegangen. 3.2.6 Seuchenhygiene

Seuchenhygienische Richtlinien werden in den Bodenschutzgesetzen festgelegt. Dies gilt allerdings nur für die Aufbringung von Klärschlamm und Müllkompost, nicht für Gülle als Wirtschaftsdünger innerhalb eines Betriebes. Es ist aber zu empfehlen, diese Bestimmungen auch beim Aufbringen von Faulschlamm aus Biogasanlagen zu beachten. Im NÖ Bodenschutzgesetz wird Schlamm als hygienisch einwandfrei definiert wenn in 1g Schlamm • nicht mehr als 1000 Enterobacteriaceaen nachweisbar sind, • keine Salmonellen nachweisbar sind und • keine ansteckungsfähigen Wurmeier enthalten sind. Es wird sich daher sinnvoll erweisen, potentiell seuchenhygienisch gefährdete biogene Abfälle nicht als Co-Substrat zu übernehmen bzw. getrennt von anderen, unbedenklichen Materialien zu behandeln. Betriebe die solche Stoffe übernehmen, müssen demnach so konzipiert sein, daß die Verweilzeit des Gärsubstrats im Fermenter die notwendige Inaktivierungszeit potentieller Krankheitserreger überschreitet, oder die Betriebstemperatur so gewählt wird, daß eine thermische Inaktivierung erfolgt. In der Regel ist dies nur im thermophilen Bereich (≥ 55OC) mit einiger Sicherheit möglich. In jedem Fall ist aber eine Kontrolle des tatsächlichen Hygienisierungseffektes jeweils fallspezifisch für die zu übernehmenden Abfälle erforderlich. 4 Technische Voraussetzungen für eine Cofermentation

4.1 Betriebsparameter

Bevor ein biogener Reststoff von einer Kläranlage übernommen werden kann, muß geklärt werden, ob die Kapazitäten der anaeroben bzw. der aeroben Stufe

20

(Faulwassernachreinigung) ausreichend sind. Die wichtigsten Entscheidungs-parameter hierzu sind in der nachfolgenden Tabelle 6 zusammengefaßt. Tab. 6: Entscheidungsparameter und Konsequenzen für die Einbringung biogener

Abfälle in Schlammfaultürme und landwirtschaftliche Biogasanlagen

Anlagenparameter Ausgangszustand Empfehlung

1) Verweilzeit wenn ≤ 20 Tage keine Zusatzstoffe möglich ( θ ) wenn > 20 Tage Zusatzstoffe bis θ =20 d 2) Temperatur wenn Betrieb < 30 °C Temp. erhöhen wenn Betrieb bei 30-37 °C Temp. beibehalten wenn Betrieb bei 55 °C Temp. beibehalten 3) Raumbelastung wenn ca. 1 kg oTS x m-3 x d-1 bis ca. 3 kg oTS x m-3 x d-1 4) Aerobe Stufe 1) wenn voll ausgelastet keine Zusatzstoffe wenn teilausgelastet Zusatzstoffe möglich 5) Gasverwertung wenn keine Gasverwert. Ausbau der Gasverw. 6) Faulraumumwälzung wenn laufend Probleme zusätzliche mit der Durchm. Mischaggregate 7) Annahmestation wenn Menge < als 5 % direkte Einleitung u. nur flüss. Abf. wenn Menge > als 5 % zusätzl. Puffertank wenn pastöse o. feste Aufbereitungsanlagen Zusatzstoffe 8) Güllelager 2) wenn Volumen > 6 Monate Zusatzstoffe möglich Lagerkapazität wenn Voumen< 6 Monate Lagertank vergrößern Lagerkapazität 9) Hygiene wenn bedenkliche Abfälle Zusatzhygienisierung 1) gilt nur für kommunale Kläranlagen 2) gilt nur für landwirtschaftliche Biogasanlagen 4.1.1 Hydraulische Verweilzeit

Aufgrund der bereits in Kapitel 2.2 erwähnten niedrigen Wachstumsgeschwindigkeit anaerober Bakterien, verläuft der Abbau organischer Substanz in der Faulung relativ langsam. Erfahrungswerte haben gezeigt, daß bei den normalerweise in Betrieb stehenden Rührkesselreaktoren (Faultürme) die Verweilzeit des Substrates im Reaktor bei mindestens 20 Tagen liegen sollte. Nur bei speziellen Reaktorsystemen konnten Verweilzeiten bis teilweise sogar unter 10 Tagen erzielt werden.

21

Im Normalfall jedoch sollte die nach Zusatz biogener Abfälle resultierende hydraulische Verweilzeit in Faultürmen zumindest noch über 20 Tagen liegen. Für landwirtschaftliche Biogasanlagen gilt der gleiche Grenzwert. 4.1.2 Temperatur

Der Faulturm muß bei Zugabe von biogenen Abfällen zumindest im mesophilen Temperaturbereich (30-37OC) betrieben werden können. Muß eine Hygienisierung erfolgen, sollte der Faulturm vorteilhafterweise im thermophilen Bereich (55OC) betrieben werden. Diese Angaben gelten sowohl für kommunale als auch landwirtschaftliche Biogasanlagen. 4.1.3 Raumbelastung

Hohe OTS-Gehalte erhöhen zwar die Gasproduktion, parallel hierzu wird aber auch die Raumbelastung erhöht. Es ist daher im Einzelfall jeweils zu prüfen inwieweit die Faulung, aber insbesonders auch die Faulwassernachreinigung eine entsprechende Reserve betreffend Abbauleistung aufweist. Weiters ist zu berücksichtigen, daß die zu entsorgende Faulschlammenge ebenfalls entsprechend zunimmt. Der Faulturm muß durch langsame, nur schrittweise Erhöhung der Raumbelastung mit biogenen Abfällen allmählich an neue Substrate adaptiert werden. Ein Erfahrungswert mit Flotatschlamm aus Schlachtbetrieben hat beispielsweise ergeben, daß die Raumbelastung letztlich einen Maximalwert von 3 kg OTS * m-3 * d-1 nicht überschreiten sollte. Dieser Wert sollte aber für jedes Substrat einzeln in Laborversuchen bestimmt werden, wenn ein Betrieb im Bereich der Maximalbelastung angestrebt wird. Sollte die aerobe Stufe bereits voll ausgelastet sein, wird es nicht möglich sein Zusatzstoffe in der Faulung zu vergären, da es im Normalfall zumindest zu einer mengenmäßigen Erhöhung des Trübwassers nach der Schlammseparation, sowohl im Absetzbecken, als auch bei einer Kammerfilter- oder Siebbandpresse kommt. In manchen Fällen, wie beispielsweise bei Flotatschlamm, muß weiters davon ausgegangen werden, daß das Trübwasser zwar keinen erhöhten CSB, bzw. BSB5 hat, die Stickstoffracht aber sehr wohl erhöht wird. 4.1.4 Biogasverwertung

Bei zusätzlicher Einbringung von biogenen Abfällen kann die Biogasausbeute beträchtlich ansteigen. Eine Gasverwertung ist daher in jedem Fall erforderlich und auf die entsprechende Kapazität zu prüfen. Bei der Zudosierung von Flotatschlamm (20 % Zugabe täglich bezogen auf Klärschlamm) erhöht sich die Biogasmenge beispielsweise auf das 2 bis 3 - fache. Es muß daher geklärt werden, ob für Spitzenbelastungen und somit zeitlich etwas verzögertem Spitzengasanfall die Einrichtungen zur Gasverwertung bzw. die Speicherkapazitäten auf das anfallende Biogasvolumen ausgelegt wurden.

22

4.1.5 Faulraumumwälzung

Sollte es im Faulraum bereits mit dem vorhandenen Klärschlamm Mischungsprobleme geben, wäre es nicht sinnvoll Co-Substrate zuzugeben welche teilweise sehr schlechtes Durchmischungsverhalten zeigen. Weiters sollte die Co-Substrat-Zugabe nur allmählich gesteigert werden, da neben der Schlammbelastung auch fluiddynamische Einflüsse auf die Sedimentationsfähigkeit, die Flotationsneigung, das Entgasungsverhalten und das Mischverhalten resultieren können. Als vorläufiger Erfahrungswert mit Flotatschlamm können etwa 20 % Anteil biogener Abfälle (bezogen auf Klärschlamm) als obere Grenze dienen. Eine komplette Generalisierung aller Betriebskriterien ist nicht möglich da die Grenzwerte der Belastung meist anlagenspezifisch sind und von örtlichen Gegebenheiten wie dem Mischungsverhalten des Faulturms u.a. abhängen. Als einfache Richtlinie aufgrund der bisherigen Erfahrungen können nachfolgende Leitsätze dienen: • Bei einer Zugabe von weniger als 5 % biogenem Abfall zum Basissubstrat wird

kaum eine Zusatzeinrichtung notwendig sein

• Bei einer Zugabe von mehr als 5 % sollte ein fachspezifischer Planer zugezogen werden

• Bei größeren Zugabemengen oder bei Zugabe von konzentrierten Industrieabfällen sollten in Pilotversuchen die entsprechenden Erfahrungswerte erarbeitet werden.

4.1.6 Lagerkapazitäten

Landwirtschaftliche Biogasanlagen benötigen für die Lagerung des Faulschlammes Endlager mit einer Kapazität von mindestens 6 Monaten. Diese ergibt sich aus der Bedingung, daß während der Wintermonate keine Gülle auf die Felder ausgetragen werden darf. Nur während der Wachstumsphase dürfen Düngemittel ausgebracht werden. Wie bereits erwähnt muß aber auch die zur Verfügung stehende Ausbringungsfläche der Faulschlammenge entsprechen, da nur eine begrenzte Menge Schlamm (siehe dazu Anhang) pro Hektar erlaubt ist. 4.2 Anlagenkonzepte

4.2.1 Kommunale Kläranlagen

In Figur 3 wird das Fließschema einer Kläranlage sowie die zusätzlich notwendige Infrastruktur für die Übernahme von biogenen Abfällen schematisch dargestellt. In Abhängigkeit von der Homogenität des biogenen Abfalls besteht die Vorbehandlung im Regelfall aus einem Monomanscher, welcher den biogenen Abfall zerkleinert und durchmischt. Der Sammelbehälter für die Co-Substrate sollte die Verarbeitungsmenge von 1-2 Tagen fassen. Eine Überdimensionierung ist zu vermeiden, da es sonst zu einer

23

Vorgärung (Gasbildung) bzw. zur Versäuerung, sowie zu Geruchsentwicklung kommen kann. Der Behälter sollte zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen geschlossen ausgeführt und mit einem Rührwerk versehen sein. Weiters sollte die Möglichkeit zur Pasteurisierung biogener Abfälle vorgesehen werden. Vor allem bei Speiseresten oder Schlachthausabfällen (sofern nicht ohnedies TKV-pflichtig) sollte, infolge der möglichen Anwesenheit von potentiell pathogenen Keimen, eine Hygienisierung bei 70 °C vorgesehen werden.

Sekundär-schlamm

biogeneAbfälle

ZulaufKanalsystem

BiogasBHKWGasspeicher

Schlamm-verwertung (ev.

Trockn.)

Vorfluter

Ein-dicker

ANAEROBELINIE

ZUSÄTZLICHEINFRASTRUKTUR

Deponie od.Kompostierung

Prozeßwasser:Rückführung in

Belebungsbecken

Primär-schlamm

geschl.Sammel-behälter

Vorbe-hand-lung

Kammer-filter-

presseFaulturmEin-dicker

mech.Reini-gung

VKB NKBBelebungs-becken

Fig. 3: Fließschema einer Kläranlage und notwendige Zusatz-Infrastruktur zur

Übernahme von biogenen Abfällen. VKB = Vorklärbecken, NKB = Nachklärbecken, BHKW = Block-Heiz-Kraft-Werk,

4.2.2 Landwirtschaftliche Biogasanlagen

Die Anlagenkonzepte bestehender landwirtschaftlicher Biogasanlagen sind sehr vielfälltig. Im Prinzip ist immer eine Vorgrube, mit dem Mindestvolumen einer täglichen Beschickungsmenge, vorhanden. Durch eine Pumpe wird meistens in Handsteuerung der Biogasreaktor beschickt. Das Faulwasser läuft im freien Gefälle in die Nachgrube, die eine Mindestauslegungsgröße gemäß der gesetzlichen „Nichtausbringungs-bestimmung“ von zur Zeit 6 Monaten haben muß. Beispielsweise kann bei einem Bestand von 500 Schweinen mit ca. 3 m3 Gülle/Tag gerechnet werden. Die Güllegrube muß daher in diesem Fall ein Mindestvolumen von 540 m3 haben. Das Biogas wird in einem Gasspeicher gesammelt und zum jeweiligen Verbraucher (Gasheizkessel oder BHKW) geführt.

24

Wenn ein Co-Substrat in eine landwirtschaftliche Biogasanlage zudosiert werden soll, ergibt sich nachfolgendes mögliches Anlagenschema zum Einsatz kommen (Fig. 4).

Analysenprotokoll Sicherheitskontrolle

LANDWIRTSCHAFTLICHEBIOGASANLAGE

ZUSÄTZLICHEINFRASTRUKTUR

Hygieni-sierung

(optional)

Zerklei-nerung

(optional)

Annahme-station

biogeneAbfälle

ExterneAnlieferung

Stall

VerbraucherBHKWGas-speicher

Ausbringungauf Nutzfläche

Nach-grube

Biogas-anlage

Vor-grube

Fig. 4: Mögliches Ablaufschema einer landwirtschaftlichen Biogasanlage bei

Übernahme zusätzlicher biogener Abfälle; BHKW = Blockheizkraftwerk. Je nach Anlieferungsmenge der Co-Substrate muß die vorhandene Lagergrube vergrößert werden. Zu beachten ist weiters eine allfällige Geruchsentwicklung, da biogene Abfälle, insbesonders Flotatschlämme und Speisereste, vor allem in der warmen Jahreszeit sehr geruchsintensiv sind. Bei stückiger Anlieferung muß eine Zerkleinerungseinheit vorgeschaltet werden. Gegebenenfalls muß auch eine Behälterreinigung vorgesehen werden. Bei Annahme von Speiseresten oder sonstigen hygienisch bedenklichen Abfällen ist eine Hygienisierungseinheit erforderlich. Da bei landwirtschaftlichen Anlagen eine Ausbringung des Schlammes zumeist auf landwirtschaftlich genutzten Böden praktiziert wird, ist auch eine Qualitätskontrolle (N:P:K, Schadstoffe sowie Schwermetalle) empfehlenswert. 5 Betriebssicherheit Zur Prozeßkontrolle können verschiedene Parameter mit einfachen Analysemethoden bestimmt werden. Ein guter Indikator für eine Überlastung des Systems ist der pH-Wert, welcher infolge der Bildung von Säuren während der Verflüssigungs- und Säurebildungsphase absinken kann, wenn diese von den Methanbakterien nicht weiterverwertet werden. Der pH-Wert kann einfacherweise mit handelsüblichen Meßstreifen bestimmt werden, wobei man jedoch den Faulschlamm

25

vorher eine zeitlang absetzen lassen sollte, um das Resultat besser zu erkennen (Trübung). Ein weiterer guter Indikator für eine Störung des Prozesses ist die Gaszusammensetzung. Sinkt der CH4-Gehalt auf unter 60%, so ist das System entweder schon gestört oder zumindest an der Grenze der Belastbarkeit angelangt. Der CO2-Gehalt kann über eine einfache Meßapparatur bestimmt werden (Fig. 5).

Fig. 5: Versuchsapparatur zur CO2-Bestimmung im Biogas mittels Absorption

26

Für den Betrieb des Gasmotors bzw. für den störungsfreien Ablauf des mikrobiologischen Prozesses ist weiters wichtig, daß der H2S-Gehalt nicht über 1,5% liegt. Für diese Bestimmung können Däger-Röhrchen (Fa. DRÄGER®) verwendet werden. In verschiedenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen laufen derzeit Versuche, den Schwefelwasserstoff durch Einblasen einer geringen Menge Luft ins Biogas zu eliminieren. Dabei wird H2S durch Bakterien der Gattung Thiobacillus in Gegenwart von Sauerstoff zu Sulfat (SO4

2-) umwandelt. Über Erfahrungen mit dieser Methode kann derzeit noch keine endgültige Aussage getroffen werden. Beim Einblasen von Luft sind jedoch insbesonders die Explosionsgrenzen von Biogas-Luft-Gemischen (4 - 14 Vol.% Luft) zu beachten. 5.1 Überlastung der aeroben Stufe

Durch den Zusatz von biogenen Abfällen in den Faulturm wird die Gesamtbelastung der Kläranlage erhöht. Entscheidend hierbei ist, daß das Belebungsbecken nicht durch das Faulwasser aus dem Faulturm überlastet wird. Laufend zu kontrollieren sind die eventuelle Erhöhung der Stickstoffracht (NH4

+) bzw. eine Erhöhung von CSB und BSB5. In einem Pilotversuch konnten nach der Zugabe von Flotatschlamm (20 % bezogen auf Klärschlamm) nur unwesentlich höhere Trübwasser-CSB-Werte im Faulwasser nach der Entwässerung mittels Kammerfilterpresse festgestellt werden, als ohne Zusatzsubstrat. Die zusätzliche Ammoniumbelastung durch manche biogene Abfälle kann sich dagegen als problematisch erweisen. Durch die anaerobe Vergärung wird Stickstoff in Form von Ammonium freigesetzt und im im Faulwasser gelöst. Die Ammonium-, Nitrat- und Nitritwerte müssen daher im Betrieb kontinuierlich überprüft werden. Jedes Cosubstrat kann sich aber in dieser Hinsicht anders verhalten und sollte von Fall zu Fall auch hinsichtlich Trübwasser-CSB bzw. Stickstoffracht neu überprüft werden. 5.2 Faulraumumwälzung

Die Konsistenz der biogenen Abfälle kann durch Zonenbildung im Reaktor (Schwimmschlamm, Sinkschichten) einen nachteiligen Einfluß auf den Prozeßverlauf ausüben. Verschiedene Substrate geringer Dichte (z.B. Flotatschlamm) neigen infolge Flotation bzw. Gasbindung zur Ausbildung von Schwimmdecken. Diese bewirken nicht nur eine schlechte Verfügbarkeit der organischen Substanz für die Mikroorganismen, sondern können auch die freie Entgasung behindern. Im allgemeinen wird es erforderlich sein bei Zugabe biogener Abfälle die Mischintensität im Faulturm zu erhöhen. 5.3 Schadstoffe

Eine Hemmwirkung auf die Schlammfaulung wird häufig durch Antibiotika oder Desinfektionsmittel hervorgerufen. Aus diesem Grund ist eine sorgfältige Auswahl

27

der biogenen Abfälle unter Berücksichtigung deren Herkunft wesentlich für den störungsfreien Betrieb des Faulturms. Eine entsprechende Eingangsanalyse der biogenen Abfälle ist unerläßlich. 6 Bilanzierungsbeispiele

6.1 Grundlagen

In der folgenden Tabelle 7 werden einige Berechnungsbeispiele für Faultürme unter Einbeziehung biogener Abfälle beispielhaft durchgerechnet. Als Beispiele für die Produktion von Biogas unter Zusatz von biogenen Abfällen werden zwei Kläranlagendimensionen, nämlich 100.000 EGW bzw. 20.000 EGW herangezogen. Die Klärschlammengen ergeben sich aus Praxiserfahrungen. Je nach System mit oder ohne Stickstoffelimination bzw. geringem oder hohem Industrieabwasseranteil im Einzugsgebiet variiert der Klärschlammanfall entsprechend. Hinsichtlich der Energieausbeute wird von modernen Faultürmen und Kraft-Wärme-Kopplungen ausgegangen. Zunächst wird in Tabelle 7 das Beispiel einer 100.000 EGW Klärnalage mit Schlammfaulung berechnet. Die gleiche Berechnung wird anschließend für eine 20.000 EGW Anlage durchgeführt. Als Vergleich dazu folgt die Berechnung mit 5 % sowie mit 20 % Flotatschlammzugabe und einzelner biogener Reststoffe, wie Speiseresten und Flotatschlamm. Als Übersicht wird in der gleichen Tabelle 7 die tägliche Susbtratzugabe, die tägliche OTS-Fracht, das dimensionierte Reaktorvolumen, die voraussichtliche Biogasproduktion, der gesamte Energieinhalt (E) (bei angenommenem 70%igem CH4-Gehalt, entspricht 6,97 kWh/m³ Biogas), sowie die aus dem gesamten Energieertrag produzierte elektrische Energie (eE) (bei angenommenem 30%igem Wirkungsgrad an eE der Kraft-Wärme-Kopplung) dargestellt. Auf die Angabe der aus dem BHKW produzierten thermischen Energie (tE) wird hier verzichtet, beträgt aber bei modernen Anlagen ca. 60% des Energieinhalts des Biogases. Um den Energieinhalt bzw. das benötigte Reaktorvolumen rechnerisch darzustellen, wurde mit einem angenommenen Wert von 1 t Speiseresten und Flotatschlamm gerechnet.

28

Tab. 7: Bilanzierungsbeispiele für biogene Abfälle im Faulturm von Kläranlagen

Medium Menge OTS Faulturm BG E eE [m3/d] [t/d] Vol. [m3] [m³/d] [kWh/d] [kWh/d]

100.000 EGW reiner Klärschlamm 107 2,7 2.200 1.336 9.310 2.793

20.000 EGW reiner Klärschlamm 21 0,5 440 267 1.861 558

100.000 EGW mit 5 % Flotatschlamm 112,2 3,1 2360 1.613 11.243 3.373

20.000 EGW mit 5 % Flotatschlamm 22,4 0,6 472 323 2.251 675

100.000 EGW mit 20 % Flotatschlamm 128,2 4,4 2850 2.447 17.056 5.117

20.000 EGW mit 20 % Flotatschlamm 25,6 0,9 570 489 3.408 1.022

Einzelsubstrate: 1 t Klärschlamm (5% TS) von 940EGW 1 0,03 20 13 90 27 1 t Speisereste (10 % TS) 1 0,08 30 32 223 67 1 t Flotatschlamm (9% TS) 1 0,08 30 52 362 109 6.2 Auslegungsbeispiel 1

Bei einer Kläranlage mit 100.000 EGW fallen im Durschnitt etwa 65.000 m3 Klärschlamm mit etwa 3 % TS an. Das sind 1.950 t TS/Jahr mit einem 50 %igen Anteil an OTS (975 t OTS/Jahr). Die Auslegungsdaten für den Faulturm errechnen sich nach der Klärschlammenge nach dem Eindicker. Etwa 5 % TS im Klärschlamm entsprechen demnach 39.000 m3 pro Jahr. Dies entspricht ca. 107 m3 pro Tag, bzw. 5,4 t TS/Tag. Bei einer hydraulischen Aufenthaltszeit von 21 Tagen ergibt dies ein Faulraumvolumen von 2.200 m3. Die Biogasausbeute kann mit einem Durchschnittswert von 0,5 m3 Biogas pro kg OTS angenommen werden, woraus sich eine Jahresproduktion von 975 t OTS * 0,5 * 1000 = 487.500 m3 Biogas ergibt. Umgerechnet auf die Energieproduktion (bei einem 60%igen CH4-Anteil und einem Energieinhalt von 5,98 kWh pro 1 m3 Biogas), ergibt sich daraus eine Energiemenge von 2,915.250 kWh/Jahr bzw. 7.990 kWh/Tag. Mit einer modernen Kraft-Wärme-Kopplung kann somit mit etwa 1,000.000 kWh elektrischer Energie/Jahr bzw. 2.740 kWh elektrischer Energie/Tag gerechnet werden.

29

6.3 Auslegungsbeispiel 2

Analog zu Auslegungsbeispiel 1 erfolgt hier die Berechnung der Dimensionen für eine 20.000 EGW Kläranlage. Für die entsprechend geringere OTS-Menge von 0,5 t/Tag ergibt sich eine Faulraumvolumen von 440 m3. Die entsprechende Biogasmenge beträgt 267 m3/Tag. 6.4 Zugabe von 5 % Flotatschlamm

Im Beispiel Klärschlamm mit 5 % Flotatschlamm (Tab. 7) zeigt sich, daß mit etwa 20% Gasmehrertrag gerechnet werden kann. Mit dieser Erhöhung kann sowohl bei einer 100.000 EGW als auch bei einer 20.000 EGW - Kläranlage gerechnet werden. Der Faulraum darf jedoch mit dem Basissusbtrat (Klärschlamm) nur zu maximal 78% ausgelastet sein. Ohne Zusatzstoffe sollte die hydraulische Verweilzeit (θ) in diesen beiden Fällen mindestens 23 Tage betragen. 6.5 Zugabe von 20 % Flotatschlamm

Im Beispiel Klärschlamm mit 20% Flotatzugabe (Tab. 7) erhöht sich der Gasertrag in beiden Fällen um ca. 83%. Die hydraulische Verweilzeit im Faulturm muß ohne Zusatzstoffe mindestens 27 Tage betragen. Ist keine Reserve - Faulraumkapazität vorhanden würde sich das erforderliche Faulraumvolumen auf 2.850 (100.000 EGW) bzw. 570 m3 (20.000 EGW) gegenüber 2.200 m3 (100.000 EGW) und 440 m3 (20.000 EGW) ohne Zusatz biogener Abfälle, erhöhen. 6.6 Spezifische Biogaserträge biogener Abfälle

Am Schluß der Tabelle 7 sind die aus 1 t Speisereste, Flotatschlamm bzw. Klärschlamm jeweils erzielbaren Ausbeuten, Energieerträge bzw. das hierfür erforderliche Faulraumvolumen angeführt. Die aus 1 t jeweils erzielbaren Biogasmengen liegen mit 32 m³ (Speisereste) bzw. 52 m³ (Flotatschlamm) deutlich über der Ausbeute bei Klärschlamm (13 m³ Biogas). 7 Rechtliche Rahmenbedingungen

7.1 Abfallrechtliche Zuordnung von Co-Substraten

Für die anaerobe Behandlung kommen in erster Linie landwirtschaftliche Ernterückstände oder Abfälle aus der Genuß- und Lebensmittelverarbeitung in Frage, die einen hohen Wassergehalt aufweisen und daher einer aeroben Behandlung (Kompostierung) nur unter schwierigen Bedingungen zugeführt werden können.

30

Die Voraussetzung für eine Verarbeitung von Abfällen (landwirtschaftlichen Ernterückständen, gewerblichen Produktionsrückständen, Küchenabfällen und Essensresten aus dem Bereich von Großküchen, Kantinen, Bundesheerkasernen u.ä.) in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage oder in einem Faulturm einer kommunalen Kläranlage sind: • die in den Abfällen enthaltene Trockensubstanz muß in einem hohen Ausmaß aus

biologisch abbaubarer organischer Trockensubstanz bestehen, und • das Substrat muß frei von Verunreinigungen und Störstoffen sein, welche sowohl

den Anaerobprozeß als auch die nachfolgende Verwertung der Faulschlämme in der Landwirtschaft bzw. die nachfolgende Behandlung des Preßwassers nach der Klärschlammseparation stören, behindern oder erschweren können.

Bei der Abgrenzung von Abfällen zu Nichtabfällen ist von der Abfalldefinition im Abfallwirtschaftsgesetz (AWG, BGBl. Nr. 325/1990) auszugehen. Abfälle sind demnach bewegliche Sachen, deren sich der Eigentümer oder Inhaber entledigen will oder entledigt hat, oder deren Erfassung und Behandlung als Abfall im öffentlichen Interesse geboten ist. Eine geordnete Erfassung und Behandlung ist jedenfalls solange nicht im öffentlichen Interesse geboten, solange sie nach allgemeiner Verkehrsauffassung in einer für sie bestimmungsgemäßen Verwendung steht oder solange die Sache nach dem Ende ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung im unmittelbaren Bereich der Betriebsstätte auf eine zulässige Weise verwendet oder verwertet wird. Nach dem österreichischen Abfallrecht wird weiters zwischen nicht gefährlichen und gefährlichen Abfällen unterschieden. Die Zuordnung von Abfällen in die Kategorie der gefährlichen Abfälle erfolgt durch die Verordnung über die Festsetzung gefährlicher Abfälle (BGBl. Nr. 49/1991). Nach dieser Verordnung sind alle in der ÖNORM S 2101 (Ausgabe Dez. 1983) angeführten Abfälle den gefährlichen Abfällen zuzuordnen. Darüberhinaus werden in der Verordnung zur Festsetzung gefährlicher Abfälle weitere Abfallarten als gefährliche Abfälle festgelegt. So sind aufgrund dieser Verordnung z.B. Altspeiseöle (Frittierfette) aber auch fetthaltige Rückstände aus Fettabscheidern als gefährliche Abfälle mittels Begleitschein zu entsorgen. Als potentielle Substrate für das anaerobe Behandlungsverfahren können aus abfallrechtlicher Sicht nach den im folgenden Kapitel angeführten Kategorien unterschieden werden. 7.1.1 Substrate bzw. Co-Substrate, die nicht als Abfälle im Sinne des AWG

gelten

• Landwirtschaftliche Abfälle (z.B. Gülle, Jauche, Ernterückstände) Gemäß § 2 Abs. 2 AWG (BGBl. Nr. 325/1990) sind landwirtschaftliche Produktionsrückstände wie z.B. Mist, Jauche, Gülle und organisch kompostierbare Materialien keine Abfälle im Sinne des AWG, sofern diese im Rahmen eines land- und forstwirtschaftlichen Betriebes anfallen und im unmittelbaren Bereich eines (nicht unbedingt im selben) land- und forstwirtschaftlichen Betriebes einer zulässigen Verwendung zugeführt werden.

31

Landwirtschaftliche Biogasanlagen bedürfen hinsichtlich der Errichtung und des Betriebes daher weder einer abfallrechtlichen noch einer gewerberechtlichen Bewilligung. Erforderlich ist jedoch eine baurechtliche Bewilligung und in der Steiermark eine Genehmigung nach dem Steiermärkischen Gasgesetz 1973 (LGBl. Nr. 54/1973 i.d.g.F. LGBl. Nr. 46/1987), sofern mit der Biogasanlage stündlich eine Gasmenge produziert wird, die einen unteren Heizwert Hu von mehr als 60.000 kcal repräsentiert. Umgerechnet auf einen durchschnittlichen Methangehalt von 60 % (Hu der Biogasmischung = 21,5 MJ/Nm³, 1 kcal entspricht 4,184 kJ) entsprechen die 60.000 kcal/Stunde einer Biogasmenge von rund 12 m³/Stunde bzw. einer täglichen Gasproduktion von etwa 280 m³. Im Falle der Verstromung und Einspeisung in das Netz wären die Genehmigungserfordernisse nach dem Steiermärkischen Elektrizitätswirtschafts-gesetz (LGBl. Nr. 77/1981 i.d.g.F. von LGBl. Nr. 87/1993) im Einzelfall mit der Genehmigungsbehörde (Amt der Steiermärkischen Landesregierung, Rechts-abteilung 3) zu prüfen. Die (entgeltliche) Entgegennahme von landwirtschaftlichen organischen Rückständen anderer landwirtschaftlicher Betriebe (z.B. Gülle) begründet nach dem AWG keine Behandlung als Abfall, sofern diese landwirtschaftlichen Rückstände in einem land- und forstwirtschaftlichen Betrieb einer zulässigen Verwendung zugeführt werden. Nach § 2 Abs. 4 Z 4b GewO 1994 sind Dienstleistungen zur Verwertung von organischen Abfällen (Sammeln und Kompostieren von fremden, kompostierbaren Abfällen mit den in der Land- und Forstwirtschaft üblichen Methoden) als landwirtschaftliches Nebengewerbe zu verstehen und bedürfen somit gemäß § 2 Abs. 1 Z 2 GewO 1994 - unbeschadet weiterer Ausnahmen - grundsätzlich keiner Genehmigungspflicht. Die Übernahme von Abfällen zur Verarbeitung in einem Anaerobprozeß, mit dem Ziel sowohl das entstehende Biogas als auch den anfallenden Faulschlamm zu verwerten, ist in der GewO nicht geregelt, wird jedoch nach den selben Maßstäben zu bewerten sein. In der Verordnung, mit der Arten von Anlagen zur Ausübung von Nebengewerben der Land- und Forstwirtschaft bezeichnet werden, die der Genehmigungspflicht nicht unterliegen (BGBl. Nr. 543/1994) wurde bestimmt, daß landwirtschaftliche Kompostieranlagen, die mindestens 300 m vom nächstgelegenen Wohnhaus entfernt sind, keine Genehmigungserfordernis nach der GewO gegeben ist. Für Biogasanlagen finden sich in dieser Verordnung keine Bestimmungen. Dazu wird angemerkt, daß der Verfassungsgerichtshof mit Erkenntnis vom 28. Juni 1995 den § 2 Abs. 5 und 6 als verfassungswidrig aufgehoben hat (BGBl. Nr. 691/1995), wodurch der angeführten Verordnung die Rechtsgrundlage entzogen worden ist. Somit gibt es für die Bewilligung von Anlagen zur Ausübung eines landwirtschaftlichen Nebengewerbes keine Rechtsgrundlage.

32

7.1.2 Co-Substrate, die als nicht gefährliche Abfälle eingestuft sind

• Küchenabfälle und Essensreste Küchenabfälle aus dem Bereich von Großküchen (Werkskantinen, Krankenhäusern, Bundesheerkasernen) sind aufgrund der gut abbaubaren organischen Substanz bestens geeignet, über ein anaerobes Verfahren verwertet zu werden. Der meist hohe Wassergehalt erschwert eine aerobe Behandlung in Form der Kompostierung und auch andere Abfallbehandlungsverfahren (z.B. Deponierung bzw. Verbrennung) sind als unzweckmäßige Verfahren einzustufen. Küchenabfälle und Essensreste gelten, soweit diese nicht aus geschlossenen Abteilungen zur Behandlung von übertragbaren Infektionskrankheiten stammen, als nicht gefährliche Abfälle im Sinne des AWG, da mit der Weitergabe eine Entledigungsabsicht dokumentiert wird. Küchenabfälle sind nur dann nicht als Abfall zu werten, wenn diese auf eine zulässige Weise im unmittelbaren Bereich des Betriebes einer Verwertung z.B. in Form der Verfütterung an Schweine (unter Beachtung der Bestimmungen nach dem Tierseuchengesetz) oder einer betriebseigenen Biogasanlage zugeführt werden. Die Übernahme dieser Abfälle zur weiteren Behandlung (Anaerobprozeß) mit dem Ziel der Biogasgewinnung und anschließender Verwertung des Faulschlammes als Düngemittel bzw. als Bodenverbesserungsmittel ist keine abfallrechtliche Bewilligung nach dem AWG erforderlich, da in diesem Fall von einer stofflichen Verwertung ausgegangen werden kann (vergl. § 29 Abs. 1 Z 3 AWG). Mit dem Einbringen von Abfällen in eine Anlage zur stofflichen Verwertung verlieren diese Abfälle (Altstoffe) ihre Abfalleigenschaft. Der landwirtschaftliche Betrieb ist im Sinne des § 14 AWG jedoch verpflichtet, Aufzeichnungen über die übernommenen Abfälle hinsichtlich der Abfallart, Abfallmenge, Herkunft zu führen und diese über einen Zeitraum von mindestens 7 Jahren aufzubewahren. Die entgeltliche Entgegennahme von Küchenabfällen und Essensresten durch Betreiber landwirtschaftlicher Biogasanlagen ist im Sinne des § 2 Abs. 4 GewO 1994 als Ausübung eines landwirtschaftlichen Nebengewerbes zu sehen, deren Ausübung auch keiner gewerberechtlichen Bewilligung bedarf. Wie bereits ausgeführt, hat der Verfassungsgerichtshof die gesetzliche Grundlage zur Erlassung einer Verordnung über nicht genehmigungspflichtige Anlagen zur Ausübung von Nebengewerben in der Land- und Forstwirtschaft (§ 2 Abs. 5 und 6 GewO 1994) als verfassungswidrig erkannt und aufgehoben (BGBl. Nr. 691/95). Bei der Übernahme externer Abfälle zur Verwertung in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage ist zu prüfen, ob es in der Folge bei der Faulschlammverwertung zu Überschreitungen von Grenzwerten im Sinne des Wasserrechtsgesetzes oder des Steiermärkischen Bodenschutzgesetzes kommen könnte. Nach § 32 Abs. 2 lit f Wasserrechtsgesetz 1959 i.d.g.F. bedarf das Ausbringen von Düngemitteln auf landwirtschaftlichen Nutzflächen einer Genehmigung, wenn folgende Werte überschritten werden: • ohne Gründeckung 175 kg Reinstickstoff / ha * Jahr • mit Gründeckung 210 kg Reinstickstoff / ha * Jahr.

33

Nach dem Steiermärkischen Landwirtschaftlichen Bodenschutzgesetz (LGBl. Nr. 66/1987) und der dazu erlassenen Klärschlammverordnung (LGBl. Nr. 89/1987) ist die Ausbringung von Klärschlamm und Müllkompost nur dann zulässig, wenn bestimmte Schadstoffe festgelegte Grenzwerte nicht überschreiten. In der nachfolgenden Tabelle 8 sind die zulässigen Grenzwerte nach der Stmk. Klärschlammverordnung dargestellt. Tab. 8: Maximal zulässige Schadstoffkonzentrationen im Klärschlamm bzw. im

Müllkompost gemäß Steiermärkischer Klärschlammverordnung

Schadstoff Konzentration (mg/kg TS)

Zink 2000 Kupfer 500 Chrom 500

Blei 500 Kobalt 100 Nickel 100

Molybdän 20 Cadmium 10

Quecksilber 10 Arsen (nur im Müllkompost) 20

Radioaktivität (nur im Müllkompost),[nCi Cs 137/kg TS] 200

Für die Ausbringung von Faulschlamm aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen gibt es im Landwirtschaftlichen Bodenschutzgesetz bzw. in den dazu erlassenen Verordnungen keine Hinweise. In Analogie zum Klärschlamm und zum Müllkompost ist jedoch davon auszugehen, daß der Faulschlamm aus Biogasanlagen, der im Zuge einer Co-Substrat-Vergärung anfällt, den selben qualitativen Anforderungen zu entsprechen hat. Weitere nicht gefährliche Abfälle, die sich für eine Co-Substrat-Vergärung bei einer landwirtschaftlichen Biogasanlage grundsätzlich eignen: • Grünschnitt und Parkabfälle

• Schlempen aus der Branntweinerzeugung

• Preßrückstände aus der Obstverwertung 7.1.3 Co-Substrate, die als gefährliche Abfälle eingestuft sind

• Altspeiseöl (Frittierfette)

34

• Fett aus Fettabscheidern

• Glyzerinphase als Nebenprodukt der Biodieselproduktion Altspeiseöl und Fett aus Fettabscheidern sind nicht wegen der chemischen Beschaffenheit, sondern aufgrund der Verordnung zur Festsetzung gefährlicher Abfälle der Kategorie der gefährlichen Abfälle zugeordnet. Getrennt gesammeltes Altspeiseöl kann auf verschiedene Art einer stofflichen Verwertung (Seifenherstellung, Biodieselproduktion) oder einer thermischen Verwertung (Verbrennung) zugeführt werden und ist daher als Altstoff im Sinne des AWG zu klassifizieren. Anlagen zur Lagerung und Behandlung von gefährlichen Abfällen sind im Falle der Verwertung von Altstoffen von der Bewilligungspflicht gemäß §28 des AWG ausgenommen. Sofern einer überwiegend landwirtschaftlich betriebenen Biogasanlage Altspeiseöl oder Fettabscheiderinhalte zur gezielten Steigerung der Biogasproduktion (es handelt sich dabei um eine stoffliche Verwertung!) zugesetzt werden, ist eine derartige Anlage aus abfallrechtlicher Sicht bewilligungsfrei. In diesem Zusammenhang wird auf eine Mitteilung des BMU vom 19. April 1994 hingewiesen, daß eine Einbringung von Fettabscheiderinhalten in Faultürme von Kläranlagen prinzipiell möglich ist. Unter Bedachtnahme auf die für den anaeroben Abbau in Faultürmen wesentlichen Parameter (eine thermische Verwertung des Faulgases vorausgesetzt), würde diese Zudosierung die Energieausbeute steigern; unter diesen Bedingungen (thermische Verwertung des Faulgases) kann bei ordnungsgemäßem Betrieb derartiger Anlagen von einer Verwertung gesprochen werden. Bei der Übernahme von gefährlichen Abfällen, die der Kategorie "Altstoff" zugeordnet und die als Co-Substrat einer anaeroben Verwertung zugeführt werden, muß der Betreiber einer landwirtschaftlichen Biogasanlage oder der Betreiber einer Abwasserreinigungsanlage mit angeschlossener Klärschlammfaulung über eine Erlaubnis zur Sammlung bzw. Behandlung von gefährlichen Abfällen gem. § 15 AWG verfügen. Jede Übernahme von gefährlichen Abfällen ist mittels Begleitschein zu dokumentieren, und der Übernehmer hat gemäß der Abfallnachweisverordnung durch Übermittlung des Begleitscheines - Blatt 1 binnen 3 Wochen nach der Übernahme den Landeshauptmann zu informieren.

35

7.2 Grundregeln für die Übernahme von Abfällen

• Die in einem Anaerobprozeß zur Verwertung vorgesehenen Co-Substrate müssen hinsichtlich ihrer Herkunft aus einem bekannten Produktionsprozeß stammen und eine definierte Qualität aufweisen.

• Für das Co-Substrat muß vor der erstmaligen Einbringung in den Anaerobprozeß ein Untersuchungszeugnis vorgelegt werden, in dem die für den Anaerobprozeß wertbestimmenden Parameter (TS, OTS, C/N-Verhältnis, biol. Abbaubarkeit sowie etwaige Schwermetallgehalte, Hemmstoffe, Antibiotikareste sowie sonstige Störstoffe wie z.B. Komponenten mit hohem Schwefelgehalt, die in der Folge einen erhöhten H2S-Anteil im Biogas verursachen) enthalten sind.

• Die Übernahme von Abfällen zur Mitverarbeitung bzw. Verwertung als Co-Substrat hat sich sowohl am Aspekt der Gaserzeugung (gezielte Steigerung der erzeugten Biogasmenge und dessen Verwertung) als auch am Aspekt der Faulschlammverwertung zu orientieren. Es ist dabei zu beachten, daß es zu keiner Verletzung wasserrechtlicher, bodenschutzrechtlicher oder abfallrechtlicher Bestimmungen kommt.

• Vor der Annahme eines bislang im Prozeß nicht eingesetzten Co-Substrates sollte ein entsprechendes Gutachten eines Sachverständigen über die prinzipielle Eignung bzw. über das Ausmaß der Zugabe (Dosierung) eingeholt werden. Dabei ist vom vorliegenden Betriebszustand der Anlage auszugehen.

• Wenn Anaerobanlagen im mesophilen Temperaturbereich (um 35 oC) betrieben werden (das ist im allgemeinen der Fall!) ist insbesonders bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen vor der Zugabe von Co-Substraten zu prüfen, ob sanitäts- oder veterinärpolizeiliche Bedenken bestehen.

• Die Übernahme von Co-Substraten sollte nur direkt von Einrichtungen übernommen werden, die für die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erstuntersuchung garantieren und im Falle von vertragswidrigen Abweichungen in der Zusammensetzung (z.B. überhöhte Schadstoffgehalte) für Folgeschäden haftbar gemacht werden können.

36

Literaturverzeichnis AMLINGER, F. (1993a): Handbuch der Kompostierung - Ein Leitfaden für Praxis,

Verwaltung, Forschung. Ludwig Boltzmann-Inst. f. biol. Landbau und angew. Ökologie, 1110 Wien.

AMLINGER, F. (1993b): Biotonne Wien - Theorie und Praxis. Ludwig Boltzmann-Inst. f. biol. Landbau und angew. Ökologie, 1110 Wien.

ATANASOFF-KARDJALIEFF, K. (1988): Beitrag zur Anaerob - Aerob - Reiniung organisch hochbelasteter Industrieabwässer“, Dissertation Univ. für Bodenkultur, Wien.

BÖHNKE, B.; BISCHOFSBERGER, W.; SEYFRIED, C.F. (1993): Anaerobtechnik - Handbuch der anaeroben Behandlung von Abwasser und Schlamm. Springer Verlag.

BRAUN, R. (1982): Biogas, Methangärung organischer Abfallstoffe; Springer Verlag Wien.

BRAUN, R.; STEINLECHNER, K.; STEYSKAL, F.; STEFFEN, R. (1996): Endbericht über die Verwertung organischer Schlämme in Faultürmen von Kläranlagen - Teil I. Univ. f. Bodenkultur, Inst. f. angew. Mikrobiologie, A-1180 Wien.

EULER, H.; KRIEG, A.; BRAUN, M. und KLINGLER, B. (1994): Biogastechnologie als Beitrag zur nachhaltigen Kreislaufwirtschaft des ländlichen Raumes und der Kommunen, unter besonderer Berücksichtigung Niederösterreichs. Endbericht Fa. TBW, Baumweg 16, D-60316 Frankfurt, für das Amt der Niederöster-reichischen Landesregierung.

MAURER, M.; WINKLER, J.P. (1982): Biogas - Theoretische Grundlagen, Bau und Betrieb von Anlagen. Verlag C.F. Müller, D - Karlsruhe.

PADINGER, R. (1986): Biogas in der Landwirtschaft - Erkenntnisse und Perspektiven. Zusammenfassender Bericht einer Informationsveranst. in Wien, Niederösterr. und Graz. Institut für Umweltforschung, Elisabethstr. 11, A-8010 Graz.

STEFFEN, R. (1993): Modell- und Laborversuche zur Methangärung der Purgiernuß (Jatropha curcas L.) auf Cabo Verde. Diplomarbeit, Techn. Univ. Graz und Univ. für Bodenkultur, Wien.

STEYSKAL, F. (1992): Biologische Abfallentsorgung und Kreislaufwirtschaft in der Intensivtierhaltung, Dissertation, Univ. für Bodenkultur, Wien.

VALKANAS, G. (1984): Anaerobic Digestion of Sewage Sludge and Organic Agricultural Wastes - Local Development in Anaerobic Treatment. Proceedings of a Seminar organized by the Commission of EC, 14-15 May, Athens, Greece. Elsevier Applied Science Publishers, London, England.

WELLINGER, A.; EDELMANN, W.; FAVRE, R. SEILER, B. UND WOSCHITZ, D. (1984): Biogas-Handbuch, Grundlagen - Planung - Betrieb landwirtschaftlicher Anlagen. Verlag Wirz AG, CH-Aarau.

WENZLAFF, R. (1981): Erfahrungen mit Biogas im praktischen Betrieb - Funktionen und Effizienz einer Biogasanlage. KTBL-Schrift 266, D-6100 Darmstadt.

I

Anhang: Gesetzliche Bestimmungen für die Ausbringung von Klärschlamm und Gülle

1. Klärschlamm Bei Klärschlamm ist die Ausbringung gemäß den jeweiligen Landesgesetzen geregelt. Im Landesgesetz der Stmk. 1987 Nr. 66 § 11 wird bestimmt, daß jährlich höchstens 1,25 t TS je Hektar Grünland und 2,5 t TS je Hektar Ackerland aufgebracht werden dürfen. Pro Einzelgabe maximal 50 m3 , maximal 2 Gaben. Die Gesamte TS-Menge kann auf das zweifache erhöht werden, wenn im vorangegangenen Jahr eine Klärschlammaufbringung unterblieben ist. Weiters muß ein Zeugnis einer Untersuchungsanstalt über Analysen des Klärschlammes sowie des Bodens vorhanden sein. (Beilage: Klärschlammuntersuchungsprotokoll). Untersucht werden gemäß Landesgesetz der Stmk. 1987 Nr. 89 § 1 folgende Parameter: Wassergehalt, Trockensubstanz, abbaubare organische Substanz, Gesamtstickstoff, Nitrat, Ammonium, Gesamtphosphor, Kalium, Kalzium, Magnesium, Natriunm, Eisen, Mangan, Kupfer, Zink, Kobalt, Molybdän, Blei, Cadmium, Chrom, Nickel, Quecksilber, ph-Wert, Dichte, seuchenhygienische Unbedenklichkeit und Pflanzenverträglichkeit. Bei Kläranlagen größer als 30.000 EGW werden zusätzlich polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, polychlorierte Biphenyle und chlorierte Kohlenwasserstoffe anhand von ausgesuchten Leitsubstanzen untersucht. Die Untersuchungshäufigkeit richtet sich nach der Größe der Anlage. Bei Anlagen von 31 bis 2000 EGW im Abstand von 6 Monaten, bei 2000 bis 10.000 EGW im Abstand von 4 Monaten, bei 10.000 bis 30.000 EGW im Abstand von 3 Monaten und ab 30.000 EGW müssen die Anlagen im Abstand von 2 Monaten untersucht werden. 2. Gülle Bei Gülle ist die Ausbringungsmenge gemäß Verordnung Nr. 88/1987 nach dem Stickstoffeintrag definiert. Bewilligungspflichtig wird außerdem das Ausbringen von mehr als 210 kg Reinstickstoff pro ha und Jahr und das Halten von mehr als 3,5 Dung - GVE pro Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche. Die Aufbringung von Klärschlamm und Gülle im selben Jahr ist verboten.

II

3. Bodenuntersuchung Klärschlamm darf nur auf Flächen ausgebracht werden, die nach den von der Bundesanstalt für Bodenwirtschaft erstellten Bodenempfindlichkeitskarten als minder empfindlich oder weitgehend tolerant eingestuft sind. Weiters sind folgende Parameter zu untersuchen: organische Substanz; pflanzenverfügbarer P, K, Mg; Karbonate, Kalkbedarf; austauschbare Kationen Ca, Mg, K, Na; lösliche Mikronährstoffe Fe, Mn, Cu, Zn, B; Gesamtgehalte Fe, Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Pb, Ca, Cr, Ni, Hg; ph-Wert und Dichte. Diese Untersuchung ist im Prinzip vor der ersten Ausbringung durchzuführen und vor jeder weiteren, soferne die letzte mehr als 4 Jahre zurückliegt. Weiters dürfen die in Tabelle 9 gezeigten Grenzwerte für Schwermetalle weder im Boden noch im Klärschlamm überschritten werden. Auch die jährlich zulässigen Schadstoffrachten dürfen nicht überschritten werden. 4. Schwermetallbilanzierungsschema Als einfache Hilfe zum Bilanzieren der Schwermetallgehalte kann nach folgendem einfachen Rechenschema vorgegangen werden. Pro 2 Hektar Ausbringungsfläche wird eine Bodenmischprobe genommen und auf den Gehalt an Schwermetallen analysiert. Bei 20 cm Oberboden ergibt diese Fläche ein Gesamtgewicht von 3 Mio kg Boden/ha. Das Gesamtgewicht (in kg) mal dem Ergebnis der einzelnen Elemente der Bodenanalyse (in mg/kg Boden) durch 1.000.000 ergibt den IST-Schwermetallwert in kg/ha. Verglichen mit den maximal zulässigen Bodengrenzwerten der Stmk. Klärschlammverordnung errechnet sich der Differenzwert, den man an Schwermetallen frachtspezifisch zuführen könnte. Die Schwermetallzufuhr des Klärschlammes berechnet sich aus der Klärschlammanalyse in mg/kg TS mal der zugeführten TS-Menge pro Jahr. Dieser Wert in mg/1,000.000 ergibt die jährliche kg Zufuhr an Schwermetallen. 5. Zusammenfassung Klärschlammaufbringung (1) Bodenempfindlichkeitskarte ansehen ob der Boden geeignet ist, wenn ja (2) Bodenuntersuchung dürchführen, wenn die Bodengrenzwerte unterschritten sind; (3) Klärschlammuntersuchung, wenn die Bodengrenzwerte eingehalten sind; (4) Gemäß TS-Gehalt wird die maximale Aufbringungsmenge in m3 ausgerechnet

maximal 50 m3/Hektar, maximal 2 mal pro Jahr; (5) Frachtspezifische Kontrolle ob die jährliche Schwermetallfracht bei der

errechneten Ausbringmenge überschritten wird, bzw. ob die maximale Boden-Schwermetallfracht erreicht wird;

(6) Schwermetallbilanzierung wie lange Klärschlamm dieser Belastung aufgebracht werden darf.

III

Tab. 9: Konzentration von Schwermetallen in verschiedenen biogenen Abfällen und Grenzkonzentrationen gemäß Bodenschutzgesetz und Klärschlammverordnung Element Maximale Festmist 2) Gülle 3) Pansen- Bodengrenzwerte Klärschlammverordnung Konzentration 1) inhalt 4) Steiermark 5) Steiermark 6) BRD 7) (mg/l) (mg/kg TS) (mg/kg TS) (mg/kg TS) (mg/kg Boden) (mg/kg TS) (mg/kg TS) Blei k.A. 17 8,4-11 19,6 100 500 100 Cadmium K.A. 0,1 0,3-0,8 1,96 2 10 1,5 Chrom 200-2.000 22 5,4-9 32,7 100 500 100 Kupfer 10-250 27 45-294 71,9 100 500 60 Nickel 200-1.000 16 7,1-38 19,6 60 100 50 Zink K.A. 193 222-896 287,5 300 1000 200 Quecksilber K.A. 0,1 0,02-0,05 0,01 2 10 1 Calcium 8.000 Natrium 8.000 Magnesium 3.000 1) Maximale, vom Faulprozeß tolerierte Konzentrationen (Wenzlaff, 1981) 2) , 3), 4) Schwermetallkonzentrationen landwirtschaftlicher Basissubstrate die oft in Biogasanlagen zu Anwendung kommen (Euler et al, 1994). 5) Schwermetall-Bodengrenzwerte des steiermärkischen Landesgesetzblatt Nr. 89, 1987, § 3 6) Schwermetall-Klärschlammgrenzwerte des steiermärkischen Landesgesetzblatt Nr. 89, 1987, § 3 7) Schwermetall-Klärschlamm Richtwerte der BRD

Documents

Empfehlungen für Kläranlagenbetreiber€¦ · Unter diesen Bedingungen ist der Energiegewinn für die Zelle durch den Abbau von organischen Molekülen allerdings viel geringer als