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1 Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA Prof. Dr.-Ing. Sabine Flamme 1. Workshop Abfallwirtschaft 18. - 19.06.2008 Vologda

Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA. Prof. Dr.-Ing. Sabine Flamme Workshop Abfallwirtschaft 18. - 19.06.2008 Vologda. Gliederung. Allgemeines Kompostierung Vergärung M echanisch B iologische A bfallaufbereitung. Kompostierung (aerob) direkte Verwertung. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

1

Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Prof. Dr.-Ing. Sabine Flamme

1. Workshop Abfallwirtschaft18. - 19.06.2008 Vologda

Page 2: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Gliederung

Allgemeines

Kompostierung

Vergärung

Mechanisch Biologische Abfallaufbereitung

Page 3: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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)

Page 4: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Möglichkeiten der Kompostierung

Kompostierung

Page 5: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 6: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 7: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 8: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 9: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Zielsetzung

Bundesweiter Verbrauch von ca. 9 Mio. m³/a Torf; bei vollständiger

Ausschöpfung der möglichen Substitutionsfelder Bedarf von 2,5 Mio.

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

Page 10: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Temperaturverlauf bei der Kompostierung

Kompostierung

Page 11: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 12: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 13: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Materialbilanz bei der Kompostierung (ISA -Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen, 2002)

Kompostierung

Page 14: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Intensivrottesysteme für Bioabfälle

Intensivrottesysteme der Bioabfallkompostierung (Kern, 1992)

Kompostierung

Page 15: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Kompostierung

Tunnelkompostierung

Page 16: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Kompostierung

Containerkompostierung

Page 17: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Zeilenreaktor mit Umsetzer (Thomé- Kozmiensky, 1995)

Kompostierung

Zeilenkompostierung

Page 18: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Luftbild Kompostierungsanlage (Bidlingmaier, 2005)

Kompostierung

Page 19: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 20: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Verfahren der Bioabfallvergärung

Vergärung

Page 21: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

(nach Biener, 2002)

Vergärung

Verfahrenschema einer Vergärungsanlage

Page 22: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 23: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 24: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 25: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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)

Page 26: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

Page 27: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage

Page 28: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Mechanische Stufe [1]

Grundkonzeption mit

und ggf. mit weiteren Aggregaten

Vorsortierung

Zerkleinerung

Fe-Abtrennung

Siebung

NE-Abscheider

Ballistischer Separator

Windsichter

Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage

Page 29: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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]

Page 30: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

Verfahren der Biologischen Stufe: siehe Grundlagen der Kompostierung / Vergärung

Mechanisch Biologische Aufbereitungsanlage

Biologische Stufe [1]Mengenstrom einer MBA einschließlich Vergärung

Page 31: Theoretische Grundlagen der Kompostierung, Vergärung und MBA

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

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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