DE102018000939A1 - Process for controlling ammonia, laughing gas outgassing / control of eutrophication and thereby reducing nitrate pollution of groundwater - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Minderung bzw. Unterbindung der Ammoniak-, Ammonium- und Lachgas Ausgasungen durch Behandlung von Gülle und organischen Reststoffen wie Gärreste aus Biogasanlagen in Lagertanks und Lagunen durch Einsatz von CO-haltigen Abgasen vorzugsweise von Biogasanlagen bzw. KWK-Anlagen oder anderer verfügbarer sauberer verwertbarerCO-Quellen (Gas-Kohlekraftwerke) dadurch Wandlung des in „wässriger“ Umgebung (Gülle / Gärreste)) befindenden Ammoniaks zu Ammoniakcarbonat. Mit diesem Bearbeitungsschritt erhält man bereits eine leichte bis starke Konsistenzänderung der Gülle-/ Gärreste-SuspensionWeiterverarbeitung / Behandlung der flüssigen bis breiigen Gülle-/ Gärreste-Karbonatsmasse (Suspension) mit feinteiligen / staubigen mineralischen / metallischen Oxiden, wie sie vorteilhaft vergesellschaftet in Filteraschen kohlegefeuerter Kraftwerke als Abfall anfallen und zur Verwertung gem. KRWG (Kreislaufwirtschaftsgesetz) in großen Mengen anstehen. Zusätzlich können durch Zugabe von metallischen / mineralischen staubigen Aschen eine weitere Eidickung der Gülle-/Gärreste-Hydratmasse erreicht und während des Prozesses in einem spezifischen Zwangsmischer Granulate produziert werden. Das Produkt ist unter Dach lagerfähig, kann als Sack- und als Schüttware gehandelt werden. Die Granulate lassen sich dosiert nach Düngerverordnung ausbringen und somit einer Eutrophierung entgegensteuern.Process for reducing or eliminating the ammonia, ammonium and nitrous oxide outgassing by treatment of manure and organic residues such as fermentation residues from biogas plants in storage tanks and lagoons by using CO-containing waste gases preferably from biogas plants or CHP plants or other available clean recyclableCO -Sources (gas-fired power plants) thereby conversion of the "aqueous" environment (manure / fermentation residues)) located ammonia to ammonia carbonate. With this processing step, one obtains already a slight to strong consistency change of slurry / digestate suspension further processing / treatment of the liquid to pasty manure / digestate carbonate mass (suspension) with finely divided / dusty mineral / metallic oxides, as they are advantageously associated in filter ashes of coal-fired power plants incurred as waste and for recovery gem. KRWG (Kreislaufwirtschaftsgesetz) are pending in large quantities. Additionally, by adding metallic / mineral dusty ashes, further egg leaching of the slurry / digestate hydrate mass can be achieved and granules produced during the process in a specific compulsory mixer. The product can be stored under roof, can be traded as bagged or bulk goods. The granules can be dosed in accordance with the Fertilizer Ordinance and thus counteract eutrophication.
Description
Neuere Klima Untersuchungen stellen fest, dass die Klimabelastungen durch Ammoniak (NH3) Ammonium (NH4) und Lachgas (N2O) durchaus den gleichen, wenn nicht sogar einen höheren Grad der Klimaverschmutzung erreicht im Vergleich zu CO2.Recent climate studies find that the climate impacts of ammonia (NH 3 ) ammonium (NH 4 ) and nitrous oxide (N 2 O) are quite the same, if not higher, of climate pollution compared to CO 2 .
Ausgemachter Hauptverursacher ist die Landwirtschaft mit exzessiver Tierhaltung sowie ihren Fermentierungs- / Biogasanlagen. Durch die umfangreichen klimaschädlichen Emissionen werden Mensch und Tier gleichermaßen geschädigt.The main culprit is agriculture with excessive animal husbandry and its fermentation / biogas plants. Due to the extensive climate-damaging emissions humans and animals are equally damaged.
„Emissionen der Landwirtschaft, UBA 06.06.2014“ (Auszug)
- • In der Schweinehaltung entsteht der Großteil der Emissionen direkt im Stall, in der Rinderhaltung bei der Lagerung von Wirtschaftsdünger und seiner Ausbringung. Ammoniak breitet sich in der Atmosphäre aus. Es kann dort mit anderen Bestandteilen der Atmosphäre reagieren und lagert sich anschließend wieder in Ökosystemen ab. Ammoniak selbst und das nach Umwandlung entstehende Ammonium schädigen Land- und Wasserökosysteme erheblich durch Versauerung und Eutrophierung (Nährstoffanreicherung). Bodenversauerung und Nährstoffüberversorgung natürlicher und naturnaher Ökosysteme (wie zum Beispiel Moore, Magerstandorte, Gewässer) können zu Veränderung der Artenvielfalt führen. Ammoniak und Ammonium sind außerdem wesentliche Vorläufersubstanzen für die Bildung von gesundheitsschädlichem Feinstaub. Eine geeignete Minderung der Emissionen aus dem Stall sind Abluftreinigungsanlagen. Deren HN3-beladende Wasch-Wässer gehen zur Entsorgung in die Gülle.
- • In pig farming, most of the emissions are generated directly in the barn, in cattle keeping in the storage of manure and its application. Ammonia spreads in the atmosphere. It can react there with other constituents of the atmosphere and then settles back into ecosystems. Ammonia itself and the resulting ammonium after conversion damage land and water ecosystems considerably by acidification and eutrophication (nutrient enrichment). Soil acidification and nutrient overfeeding of natural and semi-natural ecosystems (such as moors, low-lying sites, bodies of water) can lead to changes in biodiversity. Ammonia and ammonium are also important precursors for the formation of harmful particulate matter. A suitable reduction of emissions from the barn are exhaust air purification plants. Their HN 3 -loading wash waters go into the manure for disposal.
Gülle, (Harnstoffträger (ammoniakhaltig) mit 90 bis 95 % Wassergehalt) ist bei der Anwendung als Wirtschaftsdünger die bedeutendste Quelle für NH3-Emissionen. Harnstoff wird im Boden durch das Enzym Urease hydrologisch zu Ammonium (NH4) umgesetzt. Hierbei wird zugleich der pH-Wert im Boden erhöht, dies fördert wiederum die NH3-Bildung und -Freisetzung. Bei den Wirtschaftsdüngern ist insbesondere die schnelle Einarbeitung des Harnstoffs in den Boden, in einer Zeit von 1- 4 Stunden (gesetzlich vorgeschrieben) nach Ausbringung der Gülle, wichtig, um NH3-Verluste (NH3 - Ausgasung) zu mindern.Manure, (urea carrier (containing ammonia) with 90 to 95% water content) is the most important source of NH 3 emissions when used as manure. Urea is hydrologically converted to ammonium (NH 4 ) in the soil by the enzyme urease. At the same time, the pH in the soil is increased, which in turn promotes NH 3 formation and release. In the case of farmyard manure, rapid incorporation of urea into the soil, in a period of 1 to 4 hours (legally required) after application of manure, is particularly important in order to reduce NH 3 losses (NH 3 outgassing).
Die Ausbringung von Ureaseinhibitoren kann die Umsetzung des Harnstoffs verzögern und damit die Infiltration in den Boden vor der Umsetzung.The application of urease inhibitors may delay the reaction of the urea and thus the infiltration into the soil before the reaction.
Die Umsetzung von Harnstoff zu Ammonium (NH4) findet innerhalb weniger Tage statt. An dieser Stelle können Ureasebremsen (Inhibitoren) eingreifen und den Stickstoff länger in der Harnstoffphase halten. Der pH-Wert steigt weniger schnell an, Ammoniakverluste werden vermindert. Nitrifikationshemmer wirken auf die Ammoniumphase und bremsen die Umwandlung zu Nitrit und Nitrat um mehrere Wochen, das mindert die Nitratauswaschung und Lachgas- (N2O)-Verluste (Ausdünstung / Klima schädigend). Nutzung von Inhibitoren ist eine finanziell aufwendige Behandlungsmethode des Bodens. Ihr Einsatz ist letztlich ein kostenintensiver Aufwand mit minimaler Wirkung, weil die Ausgasung nicht umfangreich bzw. gänzlich unterbunden werden kann.The conversion of urea to ammonium (NH 4 ) takes place within a few days. At this point, urease brakes (inhibitors) can intervene and keep the nitrogen longer in the urea phase. The pH increases less quickly, ammonia losses are reduced. Nitrification inhibitors act on the ammonium phase and slow down the conversion to nitrite and nitrate for several weeks, which reduces nitrate leaching and nitrous oxide (N 2 O) losses (evaporation / climate damaging). Use of inhibitors is a financially complicated treatment method of the soil. Their use is ultimately a costly effort with minimal impact, because the outgassing can not be extensively or completely prevented.
Reaktionsablauf (vereinfacht, zur Information):Reaction process (simplified, for information):
Eine effektivere Minderung bzw. Unterbindung der Ausdünstungen von Gülle und Gärresten, mit einem ökologisch wichtigem Ergebnis bietet erfindungsgemäß die Inertisierungsmaßnahme von Gülle und / oder Gärresten in der ersten Phase durch Einsatz / Nutzung/ Durcheasung der flüssigen Gülle-Gärreste-Masse mit Stickstoff (N) bzw. Kohlenstoffdioxid (CO2) und in der zweiten Behandlungsphase die Vermengung der organischen Masse mit feinteiligen bis staubigen mineralischen / metallischen Oxiden zur Inertisierung, Sterilisation und Konsistenzveränderung.A more effective reduction or suppression of the exhalations of manure and digestate, with an ecologically important result according to the invention provides the inerting measure of liquid manure and / or digestate in the first phase by use / utilization / leaching of the liquid manure digestate mass with nitrogen (N) or carbon dioxide (CO 2 ) and in the second treatment phase, the mixing of the organic mass with finely divided to dusty mineral / metallic oxides for inerting, sterilization and consistency change.
Besonders die Durchgasung mit CO2 führt bei Ammoniak in wässriger Umgebung zu Ammoniumcarbonat. NH3 (Ammoniak) in H2O-Umgebung entsteht NH4 + OH bei Zugabe von CO2 entsteht (NH4)2CO3 + H2O Ammoniumcarbonat eine kristalline Verbindung. Durch die Behandlung mit CO2 der organischen Substanz wird die Ausgasung von Ammoniak Dämpfen massivst eingeschränkt bzw. bis zum vollständigen Erliegen gebracht.In particular, the gasification with CO 2 leads to ammonium carbonate in ammonia in an aqueous environment. NH3 (ammonia) in H2O environment arises NH4 + OH with the addition of CO 2 produced (NH4) 2CO3 + H 2 O ammonium carbonate a crystalline compound. By treatment with CO 2 of the organic substance, the outgassing of ammonia vapors massively restricted or brought to a complete halt.
Die zweite Behandlungsphase des organischen / mineralischen Gemenges beschreibt ein Verfahren um die Ammoniak-belasteten in Massen anfallenden organischen und keimverseuchten Abfälle / Reststoffe insbesondere Gülle aus der Vieh- und Geflügelhaltung sowie Gärreste aus Biogasanlagen, allgemein in flüssiger Form vorliegend, ohne spezifische Wärmezufuhr in einen rieselfähigen keimfreien Aggregatzustand zu verändern. Die Vermengung gem. Erfindung sollte möglichst nur mit metallischen und / oder mineralischen Oxyd-Molekülen aus feinteiligen Aschen und / oder gemahlenen Schlacken (Eisen- und Stahlindustrie), Korngröße vorzugsweise 70 bis 90 µm, erfolgen.The second treatment phase of the organic / mineral mixture describes a process for the ammonia-contaminated organic and germ-contaminated wastes / residues in particular manure from livestock and poultry and fermentation residues from biogas plants, generally present in liquid form, without specific heat in a free-flowing germ-free state of aggregation. The blending gem. Invention should be possible only with metallic and / or mineral oxide molecules of finely divided ashes and / or ground slags (iron and steel industry), grain size preferably 70 to 90 microns done.
Das Gemenge weist bedingt durch die kleine Korngröße eine große Oberfläche aus mit guter bis exzellenter Reaktionsfreudigkeit. Im Verlauf des Vermengungsprozesses in einem Zwangsmischer mit Gülle / Gärresten zusammen mit feinteiligen oxydischen mineralischen und metallischen Komponenten von Aschen und oder gemahlenen Schlacken entstehen neue chemische Verbindungen, die das Molekül des Ammoniaks (NH3), des Ammoniumcarbonates wie auch das von Lachgas (N2O) gemäß Erfindung chemisch , ohne äußere Wärmezufuhr bindet und so die klimaschädliche Flüchtigkeit / Ausgasungsreaktion von Ammoniak und Lachgas immobilisiert bzw. unterbindet, allerdings ohne die Nährstoffgehalte für die Pflanze zu verlieren.
Das hergestellte und ausgereifte Agglomerat ist ein rieselfähiger Mineraldünger (verfestigte Gülle) und kann in diesem Aggregatzustand gut gelagert, transportiert und zur Düngung dosiert gezielt zum Austrag gebracht werden. Bei richtiger Handhabung können die gesetzlichen Düngervorgaben leicht erreicht und übermäßige Düngung (Eutrophierung) vermieden werden. Ein weiterer aber maßgeblicher Vorteil des Verfahrens liegt in einer zentralen wie auch dezentralen Gülle- / Gärreste- Annahmestelle mit angeschlossener Aufbereitung. Gülle / Gärreste werden kontinuierlich agglomeriert und unter Dach gelagert. Bei Bedarf an Wirtschaftsdünger für eine Feldbestellung kann der Dünger ex Lager den Bauern zur Verfügung gestellt werden. Verfügbarkeit einer solchen Behandlungsanlage mit den nötigen umweltgerechten Gülle-/Gärreste-Bevorratungskapazitäten würde die Bauern besonders finanziell entlasten und einen guten messbaren Umweltbeitrag leisten, in dem hofseitig keine großen Kapazitätsvorhalteeinrichtungen z.B. abgedeckte Lagunen, Lagertanks für eine Gülle-/ Gärreste-Bevorratung, die eine hofseitig produzierte Güllemenge von bis zu 9 Monaten umweltgerecht zwischenlagern und gem. Gesetz vorzuhalten hat, zu installieren wäre.The produced and matured agglomerate is a free-flowing mineral fertilizer (solidified liquid manure) and can be stored well in this state of aggregation, transported and metered for fertilization brought to discharge. When handled correctly, the legal fertilizer requirements can be easily achieved and excessive fertilization (eutrophication) can be avoided. Another but significant advantage of the process is located in a central as well as decentralized manure / Gärreste- collection point with attached processing. Manure / fermentation residues are continuously agglomerated and stored under roof. If necessary for manure for a field order, the fertilizer ex warehouse can be made available to the farmers. The availability of such a treatment facility with the necessary environmentally sound manure / digestate storage capacities would be particularly cost-effective for the farmers and would make a good measurable environmental contribution, in which there would be no large capacity storage facilities in the yard. covered lagoons, storage tanks for a manure / digestate stockpiling, which temporarily store a manure amount of up to 9 months produced on the farm in an environment-friendly manner and acc. Law is to install.
Die oxydischen Bestandteile der Filteraschen sind nach ihrer analytischen Beschaffenheit als Bodenhilfsstoffe geeignet. Diese Aschen sind nach KrWG Abfall und gem. Gesetz zu verwerten. Aktuell werden sie hauptsächlich wegen fehlender Verwertungsformen in geeigneten Deponien (z.B. ausgekohlte Tagebaue) entsorgt. Bei Umsetzung des hier vorgestellten Verfahrens könnten große Mengen solcher Aschen oder auch gemahlene Schlacken aus der Stahlerzeugung zur Verwertung als Dünger gelangen.The oxidic constituents of the filter ashes are suitable as soil adjuvants according to their analytical nature. These ashes are according to KrWG waste and gem. To use the law. Currently, they are disposed of in suitable landfills (for example, charred opencast mines) mainly due to lack of utilization forms. When implementing the method presented here, large quantities of such ashes or even ground slags from steelmaking could be used as fertilizer.
Als Beispiel wird die metallische, mineralische oxydische Materialkomposition einer deutschen Braunkohlenasche als geeignetes Medium für die Behandlung von Gülle sowie auch andere organisch belastete Abfälle in wässriger bis stichfester Konsistenz vorgestellt. Die Aschen weisen u.a. einen verhältnismäßig hohen Kalk-und Magnesiumoxid (CaO /MgO) Anteil aus. Bei Vermengung mit Gülle, mit einem Wasseranteil von 90 bis 95% zum Beispiel, kommt es zu einer chemischen exothermen Reaktion - s. o. Reaktionsformel -, die durchaus 70°C und mehr erreichen kann, ist keimtötend und wirkt sterilisierend. Durch das stark basisiche Umfeld kommt eine weitere Desinfektionswirkung hinzu. MRSA- Keime wie auch Legionellen Bakterien und Vogelgrippe-Virus können über diesen Behandlungsweg, notfalls auch mit Zuschlägen von Weichbranntkalk (Ätzkalk 90% CaO) in ihrer Wirkung unschädlich gemacht werden.As an example, the metallic, mineral oxide material composition of a German lignite ash is presented as a suitable medium for the treatment of manure as well as other organically contaminated waste in aqueous to firm consistency. The ashes have u.a. a relatively high lime and magnesium oxide (CaO / MgO) content. When mixed with manure, with a water content of 90 to 95%, for example, it comes to a chemical exothermic reaction - s. o. Reaction formula - which can reach 70 ° C and more, is germicidal and has a sterilizing effect. Due to the strongly basic environment, a further disinfecting effect is added. MRSA germs as well as Legionella bacteria and avian influenza virus can be rendered harmless by this treatment route, if necessary, with additions of Weichbranntkalk (caustic soda 90% CaO) in their effect.
Filterascheanalyse (grob) Braunkohlekraftwerk Rheinisches Revier:Filter ash analysis (coarse) Brown coal power plant Rheinisches Revier:
Bei intensiver Vermengung der Oxydmoleküle der Asche mit Gülle zu einer feuchten aber nicht fließfähigen Masse kommt es in unterschiedlichen Zeitabständen wegen unterschiedlicher Reaktionsfreudigkeit der Oxidmoleküle zu chemischen Reaktionen wobei die Reaktion von CaO + Gülle am augenfälligsten, stark reaktionsfreudig ist und kurzfristig nach Kontakt der Substanzen (Wasser, Gülle) die Verbindungsreaktion (Hydratisierung) unter Abgabe von Wärme und Wasser beginnt. Nach ca. 20 Min. klingt die Reaktion ab. Die Reaktion des Magnesiumoxids in Verbindung mit Gülle beginnt verhalten und dauert länger im Vergleich zu Kalkoxid (CaO), so auch die anderen Oxide. (s.o. Reaktionsformel) Durch die Hydratisierung der Gülle / Gärreste werden die Verdunstungsreaktionen (Eigenschaften), die Verflüchtigung von Ammoniak / Ammonium unterbunden.In intensive mixing of the oxide molecules of the ash with liquid manure to a moist but not flowable mass occurs at different intervals because of different reactivity of the oxide molecules to chemical reactions the reaction of CaO + slurry is most obvious, highly reactive and short term after contact of the substances (water , Manure) the connection reaction (hydration) begins with release of heat and water. After about 20 minutes, the reaction stops. The reaction of magnesium oxide with manure starts cautiously and lasts longer compared to calcium oxide (CaO), as well as the other oxides. (see reaction formula) The hydration of manure / fermentation residues inhibits the evaporation reactions (properties) and volatilization of ammonia / ammonium.
Das in einem Zwangsmischer herstellte Produkt ist als Agglomerat / Pellet verfügbar und kann in solcher Konsistenz unter Dach trocken gelagert, als Sack- und Haufware gehandelt und als solche auch auf agrarische Böden dosiert ausgetragen werden. Sofern sich der Bauer dauerhaft an die Düngerverordnung hält, kann er die Eutrophierung steuern und letztlich auch mindern. Bei solchem Vorgehen würde die Nitrat / Nitrit-Belastung des Grundwassers erheblich gemindert und so einer schleichenden Vergiftung der Bevölkerung entgegengewirkt.The product produced in a compulsory mixer is available as an agglomerate / pellet and can be stored dry in such consistency under roof, traded as bag and heap and dosed as such on agricultural soils. If the farmer sticks permanently to the Fertilizer Ordinance, he can control and ultimately reduce eutrophication. Such action would significantly reduce the nitrate / nitrite pollution of groundwater, thus counteracting creeping poisoning of the population.
Wichtig allerdings ist, die Nährstoffgehalte der hergestellten Agglomerate bleiben für die Pflanzen erhalten und verfügbar.It is important, however, that the nutrient contents of the agglomerates produced are preserved and available to the plants.
Ferner kann das gewonnene Produkt als Bulk- bzw. Sackware in nährstoffarme Regionen „exportiert“ werden.Furthermore, the recovered product can be "exported" as bulk or bagged goods in nutrient-poor regions.
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