Investigations of the usability of horse manure in the biogas process

Abstract

Die zunehmende Nutzung von Energiepflanzen als Haupteinsatzstoff und der damit verbundende Flächenverbrauch ist der zentrale Kritikpunkt der Bevölkerung an der Biogasproduktion. Obwohl erhebliche energetische Potentiale an Abfällen und Reststoffen vorhanden sind, konnte sich die Verwertung dieser Materialien im Biogasprozess bis heute nicht flächendeckend etablieren. Wesentliche Hemmnisse sind hierbei die stark variierende Zusammensetzung dieser Stoffe und deren Substrateigenschaften. In der Regel beinhalten die Reststoffe einen hohen Faseranteil, der die vorhandene Verfahrenstechnik vor große Herausforderungen stellt. Daher war das Ziel dieser Arbeit, die Eignung und Verwertbarkeit des rohfasereichen Substrates Pferdemist als Beispielsubstrat zur Biogaserzeugung in kontinuierlich betriebenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen zu untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die vorliegende Arbeit in drei Abschnitte gegliedert: 1. Untersuchung der Zusammensetzung und Verwertbarkeit von Pferdemist mit verschiedenen Einstreumaterialien und Bestimmung der spezifischen Methanerträge unter Berücksichtigung des Alterungsprozesses des Pferdemistes; 2. Ermittlung der Effekte der mechanischen Substratvorbehandlung mit dem Querstromzerspaner auf den spezifischen Methanertrag und die Abbau-geschwindigkeit von nachwachsenden Rohstoffen und Pferdemist im Labormaßstab; 3. Untersuchungen zur Verwertbarkeit von Pferdemist im Praxismaßstab und den Einflüssen der mechanischen Aufbereitung auf den Biogasprozess an der Forschungsbiogasanlage Unterer Lindenhof. Eine Verwertung von strohhaltigem Pferdemist im Biogasprozess ist möglich. Allerdings muss eine Verunreinigung mit alternativen Einstreumaterialien aufgrund der geringen Abbaubarkeit vermieden werden. Zudem konnte ein erheblicher Verlust des Methanpotenzials durch eine Zwischenlagerung und der dadurch stattfindenden aeroben Rotte nachgewiesen werden. Aufgrund hoher Trockensubstanzgehalte und geringer Gehalte von essentiellen Mikro- und Makronährstoffen sollte der Einsatz von Pferdemist in Biogasanlagen nur mit geeigneten Co-Substraten erfolgen. Die mechanische Aufbereitung mittels Querstomzerspaner von Silagen und Pferdemist führte zu einer signifikanten Reduktion der Partikelgröße und Steigerung der Substratoberfläche. Es wurden jedoch keine signifikanten Veränderungen des spezifischen Methanertrages der untersuchten Silagen durch die Vorbehandlung festgestellt. Bedingt durch die Vergrößerung der Substratoberfläche wurde bei der Grassilage und der Getreide-Ganzpflanzensilage eine Steigerung der Abbaugeschwindigkeit nachgewiesen. Die mechanische Desintegration von Pferdemist resultierte in einer signifikanten Steigerung des spezifischen Methanertrags und einer deutlichen Verbesserung der Abbaukinetik. Bei der Betrachtung der Energiebilanz der Zerkleinerung konnte nur für die Aufbereitung der rohfasereichen Substrate ein positives Ergebnis erzielt werden. Dementsprechend ist eine vorherige Desintegration von Silagen für die Biogaserzeugung nicht zu empfehlen. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen zur Verwertbarkeit von unbehandelten und mechanisch aufbereiteten Pferdemist im Praxismaxstab zeigen, dass der Einsatz von unzerkleinertem Pferdemist zu erheblichen verfahrenstechnischen Problemen führt und in unzureichenden Abbaugraden resultiert. Durch die mechanische Aufbereitung war ein störungsfreier Anlagenbetrieb möglich. Zusätzlich konnte eine sehr gute Substratausnutzung erzielt werden. Der zusätzliche Energieaufwand der mechanischen Intensivaufbereitung konnte durch den höheren Gasertrag weit mehr als ausgeglichen werden. Die Resultate der vorliegenden Arbeit zeigen, dass mit einer geeigneten Aufbereitungstechnik der Einsatz von Pferdemist und weiteren rohfaserreichen Strukturmaterialien in landwirtschaftlichen Biogasanlagen möglich ist. Eine vollständige Konversion des strohhaltigen Pferdemistes stellt ein Flächenäquivalent von bis zu 156.000 ha Maisanbaufläche dar. Damit liefert diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der Biogaserzeugung und dem Erreichen der energiepolitischen Ziele.The increasing use of energy crops as the main feedstock and the resulting occupancy of arable land is the central point of criticism of the population in biogas production. Although waste and residues provide significant energy potentials, the conversion of these materials in the biogas process has not been established to date. Significant barriers are the widely varying composition of these materials and their substrate properties. In general, the residues contain a high percentage of fiber, which rises great challenges for the existing process technology. This work aimed to address these challenges by investigating the suitability and usability of the fiber-rich substrate horse manure for biogas production in continuously operated agricultural biogas plants. The study was divided into three consecutive 1. Investigation of the composition and usability of horse manure with different bedding materials and determination of the specific methane yields also taking into account the aging process degradation of horse manure; 2. Determination of the impact of mechanical pretreatment of the substrate with the cross-flow grinder on the specific methane yield and degradation kinetics of commonly used energy crops and horse manure in laboratory-scale; 3. Studies on the feasibility of horse manure in full-scale biogas processes and the effects of mechanical treatment at the research biogas plant "Unterer Lindenhof. The use of straw-based horse manure in the biogas process is feasible. However, contaminations with alternative bedding materials due to their low degradability must be avoided. Furthermore, a substantial loss of methane potential could be detected due to the storage and meanwhile aerobic degradation. As a result of the high dry matter content and low levels of essential micro- and macro-nutrients, horse manure should only be utilized in biogas plants with suitable co - substrates. The mechanical treatment of silage and horse manure with the cross-flow grinder resulted in a significant reduction in particle size and increased substrate surface. However, no significant changes in the specific methane yield of the investigated silages were observed. Due to the increase of the substrate surface the degradation rate of the grass silage and whole crop silage accelerates. The mechanical disintegration of horse manure resulted in a significant increase of the specific methane yield and a significant improvement of the degradation kinetics. When considering the energy balance of the disintegration, a positive result could only be obtained for the processing of the fiber-rich substrates. Accordingly a previous disintegration of silage for biogas production is not recommended. The results from the investigation of the usability of untreated and disintegrated horse manure in the full-scale biogas process show that the use of horse manure without previous treatment causes serious procedural problems and results in insufficient degrees of degradation. The mechanical pretreatment guarantees a plant operation without failures during this trial. Additionally a complete substrate utilization can be achieved due to the treatment. The additional energy expenditure for the operation of the cross flow grinder was overcompensated by the higher gas yield. The results of this study show, that with a suitable treatment technology, the use of straw based horse manure and other high fiber structural materials in agricultural biogas plants is possible. A complete conversion of straw based horse manure provides an energy equivalent of up to 156,000 ha of maize. Thus, this study helps to improve the sustainability and profitability of biogas production and the achievement of the energy policy objectives