Influence of Ozone Treatment on Ultrafiltration Performance and Nutrient Flow in a Membrane Based Nutrient Recovery Process from Anaerobic Digestate

Membrane filtration of biological suspensions is frequently limited by fouling. This mechanism is well understood for ultrafiltration of activated sludge in membrane bioreactors. A rather young application of ultrafiltration is the recovery of nutrients from anaerobic digestates, e.g., from agricultural biogas plants. A process chain of solid/liquid separation, ultrafiltration, and reverse osmoses separates the digestate into different products: an organic N-P-fertilizer (solid digestate), a recirculate (UF retentate), a liquid N-K-fertilizer (RO retentate) and water. Despite the preceding particle removal, high crossflow velocities are required in the ultrafiltration step to overcome fouling. This leads to high operation costs of the ultrafiltration step and often limits the economical application of the complete process chain. In this study, under-stoichiometric ozone treatment of the ultrafiltration feed stream is investigated. Ozone treatment reduced the biopolymer concentration and apparent viscosity of different digestate centrates. Permeabilities of centrate treated with ozone were higher than without ozone treatment. In a laboratory test rig and in a pilot plant operated at the site of two full scale biogas plants, ultrafiltration flux could be improved by 50–80% by ozonation. Nutrient concentrations in the fertilizer products were not affected by ozone treatment

Energieeffiziente Gärrestaufbereitung : Auswirkung verschiedener Vorbehandlungen auf die Ultrafiltration und Umkehrosmose von Gärresten

Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar. Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt. Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt. Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten. Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 % reduziert. In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.Due to a surplus of nutrients on agricultural fields from manure, dung, and digestate from biogas plants an adequate separation technique is required. Therefore, a total conditioning process based on multi stage liquid/solid separation and membrane processes to separate both nutrients and process water was investigated. The target was to improve the process performance in terms of ecological and economical aspects by changing the process conditions of the ultrafiltration step. The energy demand of the ultrafiltration step amounts to 50 – 70 % of the total energy demand of the process. An efficient and economic business case can be achieved by reducing the ultrafiltration’s energy demand by 50 %. In terms of optimisation of the ultrafiltration step, 42 individual samples from 19 different biogas plants were analysed according to their physico-chemical properties. A special focus was set on the filterability of the separated digestate. Separated digestates were characterised by a high variation in physico-chemical properties and membrane performance. Correlations were found for organic compounds, apparent viscosity of the separated digestates, and ultrafiltration performance. Separated digestates showed a non-Newtonian rheological behaviour, which was mainly attributed to biopolymers, i.e. polysaccharides and proteins. These biopolymers were relevant for both the rheological behaviour and the ultrafiltration performance. Modification of the biopolymer fraction was investigated by ozonation and complexation caused by ph adjustment. Optimisations were performed in three scale-up steps namely: lab scale, semi-technical scale, and pilot scale. Ozonation showed positive impact on the filterability and the reduction of shear-thinning viscosity. Due to the ozonation, a reduction of biopolymers was analysed in all scale-up steps. The relative improvement of ultrafiltration performance was factor 1.4 – 2.3. The adjustment of ph value led to complexation of biopolymers. Complexation of separated digestates was achieved at ph values below isoelectric conditions of the proteins. The interaction of biopolymers of separated digestates was first reported in this study. The outcome of the biopolymer complexation was an increase of median particle sizes by factor 7 – 17. In all scale-up, steps complexation was discovered and the ultrafiltration performance was improved by factor 2. Temperature increasement of the ultrafiltration step was investigated in semi-technical and pilot scale from 40 – 45 °C to 60 – 75 °C. Caused by a decrease of permeate viscosity and an improved filter cake control the ultrafiltration performance was increased by factor 1.4. Interestingly, the combination of ozonation and temperature increasement had synergetic effects, as both optimisation methods decreased the viscosity of the sample. Low viscosities were accompanied by higher Reynolds numbers, which again had positive influence on the ultrafiltration performance. Furthermore, the cross-flow velocity of the ultrafiltration process was reduced to improve the specific energy consumption of the ultrafiltration step. Transferability was demonstrated through all scale-up steps. Thereby, a precise prediction of technical membrane performances can be done based on lab scale experiments. Although there was a high variation in the analysed samples, functional correlations between the biopolymer concentration and the temperature dependent apparent viscosity of the (separated) digestate was found. The reduction of the ultrafiltration’s energy demand ≥ 50 % was achieved on both field experiments on site of a biogas plant with six different series of tests. Good process performances were found for high process temperature combined with a reduced crossflow velocity, high process temperatures combined with ozonation or ph adjustment. The best process performance was found by a combination of high process temperature with ozonation and a reduced crossflow velocity. The specific energy reduction of the ultrafiltration step was 54 – 59 % for the best optimisation methods. A final focus was set on the profitability of a 50000 t∙a-1 reference plant on site of a German biogas plant. In this case, heat demand was supported by the combined power and heat unit, which is government-funded with the so-called “KWK-Bonus”. High process temperatures and reduced cross-flow velocities of the ultrafiltration step led to a high reduction in specific costs of the total conditioning process. The profitability of a 50000 t∙a-1 reference plant was improved from 8 – 8.50 € per cubic meter to 5 – 5.50 € per cubic meter. The relative reduction of the process costs were 33.5 to 37.8 %. This process optimisation facilitates an economically operation of the total conditioning process

Energieeffiziente Gärrestaufbereitung : Auswirkung verschiedener Vorbehandlungen auf die Ultrafiltration und Umkehrosmose von Gärresten

Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar. Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt. Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt. Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten. Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 % reduziert. In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.Due to a surplus of nutrients on agricultural fields from manure, dung, and digestate from biogas plants an adequate separation technique is required. Therefore, a total conditioning process based on multi stage liquid/solid separation and membrane processes to separate both nutrients and process water was investigated. The target was to improve the process performance in terms of ecological and economical aspects by changing the process conditions of the ultrafiltration step. The energy demand of the ultrafiltration step amounts to 50 – 70 % of the total energy demand of the process. An efficient and economic business case can be achieved by reducing the ultrafiltration’s energy demand by 50 %. In terms of optimisation of the ultrafiltration step, 42 individual samples from 19 different biogas plants were analysed according to their physico-chemical properties. A special focus was set on the filterability of the separated digestate. Separated digestates were characterised by a high variation in physico-chemical properties and membrane performance. Correlations were found for organic compounds, apparent viscosity of the separated digestates, and ultrafiltration performance. Separated digestates showed a non-Newtonian rheological behaviour, which was mainly attributed to biopolymers, i.e. polysaccharides and proteins. These biopolymers were relevant for both the rheological behaviour and the ultrafiltration performance. Modification of the biopolymer fraction was investigated by ozonation and complexation caused by ph adjustment. Optimisations were performed in three scale-up steps namely: lab scale, semi-technical scale, and pilot scale. Ozonation showed positive impact on the filterability and the reduction of shear-thinning viscosity. Due to the ozonation, a reduction of biopolymers was analysed in all scale-up steps. The relative improvement of ultrafiltration performance was factor 1.4 – 2.3. The adjustment of ph value led to complexation of biopolymers. Complexation of separated digestates was achieved at ph values below isoelectric conditions of the proteins. The interaction of biopolymers of separated digestates was first reported in this study. The outcome of the biopolymer complexation was an increase of median particle sizes by factor 7 – 17. In all scale-up, steps complexation was discovered and the ultrafiltration performance was improved by factor 2. Temperature increasement of the ultrafiltration step was investigated in semi-technical and pilot scale from 40 – 45 °C to 60 – 75 °C. Caused by a decrease of permeate viscosity and an improved filter cake control the ultrafiltration performance was increased by factor 1.4. Interestingly, the combination of ozonation and temperature increasement had synergetic effects, as both optimisation methods decreased the viscosity of the sample. Low viscosities were accompanied by higher Reynolds numbers, which again had positive influence on the ultrafiltration performance. Furthermore, the cross-flow velocity of the ultrafiltration process was reduced to improve the specific energy consumption of the ultrafiltration step. Transferability was demonstrated through all scale-up steps. Thereby, a precise prediction of technical membrane performances can be done based on lab scale experiments. Although there was a high variation in the analysed samples, functional correlations between the biopolymer concentration and the temperature dependent apparent viscosity of the (separated) digestate was found. The reduction of the ultrafiltration’s energy demand ≥ 50 % was achieved on both field experiments on site of a biogas plant with six different series of tests. Good process performances were found for high process temperature combined with a reduced crossflow velocity, high process temperatures combined with ozonation or ph adjustment. The best process performance was found by a combination of high process temperature with ozonation and a reduced crossflow velocity. The specific energy reduction of the ultrafiltration step was 54 – 59 % for the best optimisation methods. A final focus was set on the profitability of a 50000 t∙a-1 reference plant on site of a German biogas plant. In this case, heat demand was supported by the combined power and heat unit, which is government-funded with the so-called “KWK-Bonus”. High process temperatures and reduced cross-flow velocities of the ultrafiltration step led to a high reduction in specific costs of the total conditioning process. The profitability of a 50000 t∙a-1 reference plant was improved from 8 – 8.50 € per cubic meter to 5 – 5.50 € per cubic meter. The relative reduction of the process costs were 33.5 to 37.8 %. This process optimisation facilitates an economically operation of the total conditioning process

Optimised Nutrient Recovery from Biogas Digestate by Solid/Liquid Separation and Membrane Treatment

Anaerobic digestion products of agricultural biogas plants are characterised by high nitrogen, phosphorus, and potassium content. In three scale-up steps, a membrane based digestate treatment process of solid-liquid-separation, ultrafiltration, and reverse osmosis for nutrient recovery was investigated. Lab-scale trials delivered a very good understanding of fluid properties and subsequent ultrafiltration performance, which is the limiting process step in terms of energy demand and operation costs. In semi-technical experiments, optimisation, and design parameters were developed, which were subsequently applied to pilot-scale tests at two full-scale biogas plants. The process optimisation resulted in 50 % energy reduction of the ultrafiltration step. About 36 % of the sludge volume was recovered as dischargeable water, 20 % as solid N/P-fertiliser, and 44 % as liquid N/K-fertiliser

Optimised Nutrient Recovery from Biogas Digestate by Solid/Liquid Separation and Membrane Treatment

Anaerobic digestion products of agricultural biogas plants are characterised by high nitrogen, phosphorus, and potassium content. In three scale-up steps, a membrane based digestate treatment process of solid-liquid-separation, ultrafiltration, and reverse osmosis for nutrient recovery was investigated. Lab-scale trials delivered a very good understanding of fluid properties and subsequent ultrafiltration performance, which is the limiting process step in terms of energy demand and operation costs. In semi-technical experiments, optimisation, and design parameters were developed, which were subsequently applied to pilot-scale tests at two full-scale biogas plants. The process optimisation resulted in 50 % energy reduction of the ultrafiltration step. About 36 % of the sludge volume was recovered as dischargeable water, 20 % as solid N/P-fertiliser, and 44 % as liquid N/K-fertiliser

Nutrient Recovery from Biogas Digestate by Optimised Membrane Treatment

Biogas plants produce nutrient rich digestates as side products, which are usually used as local fertilisers. Yet the large amount and regional gradients of biogas plants in Germany necessitate management, conditioning, and transportation of digestates, in order to follow good fertilising procedure and prohibit local over-fertilisation. With a membrane-based treatment chain, i.e. centrifugation, ultrafiltration, and reverse osmosis, digestates can be separated into a solid N,P-fertiliser, a liquid N,K-fertiliser, and dischargeable water. Up to now, the high energy demand of the process chain, in particular the ultrafiltration step, limits the economical market launch of the treatment chain. A reduction of the energy demand is challenging, as digestates exhibit a high fouling potential and ultrafiltration fluxes differ considerably for digestates from different biogas plants. In a systematic screening of 28 digestate samples from agricultural biogas plants and 6 samples from bio-waste biogas plants, ultrafiltration performance could be successfully linked to the rheological properties of the digestate’s liquid phase and to its macromolecular biopolymer concentration. By modification of the fluid characteristics through enzymatic treatment, ultrafiltration performance was considerably increased by factor 2.8 on average, which equals energy savings in the ultrafiltration step of approximately 45%. Consequently, the energy demand of the total treatment chain decreases, which offers potential for further rollout of the membrane-based digestate treatment