Wertstoffrückgewinnung: Nährstoffe, Metalle, Biogas

Am Fraunhofer IGB entwickeln wir Verfahren, um Reststoffe aus Abwasser, Abfällen oder landwirtschaftlichen und industriellen Reststoffen zurückzugewinnen oder wertschöpfend als Energieträger zu nutzen.

Organische Reststoffe, die keiner weiteren stofflichen Verwertung zugeführt werden können, eignen sich besonders für die Umsetzung mittels Vergärung. Hierbei bauen anaerobe Mikroorganismen organische Kohlenstoffverbindungen über verschiedene Zwischenstufen zu Biogas, einem Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid, ab.

Kommunale Abwässer, Gülle, Gärreste und Reststoffe der Lebensmittelindustrie sind reich an Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor, Kalium oder Calcium. Wir entwickeln Technologien und Verfahren, um die wertvollen Nährstoffe zurückzugewinnen.

Biogas – Erneuerbare Energie mit vielseitigem Nutzungspotenzial

Für die Vergärung von Klärschlamm, aber auch anderer organischer Materialien wie Biomüll, Küchenabfälle oder landwirtschaftlicher Reststoffe zu Biogas hat das Fraunhofer IGB ein besonders effizientes Hochlastverfahren entwickelt.

Die Stromerzeugung aus Biogas, das in Biogasanlagen vor allem aus silierten nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, ist eine wichtige Säule der erneuerbaren Energien. Biogas nimmt dabei eine Sonderstellung ein: Während die Stromerzeugung aus Sonne und Wind stark vom Wetter abhängig ist, kann Biogas kontinuierlich erzeugt, über eine gewisse Zeit gespeichert und im Blockheizkraftwerk mittels Kraft-Wärme-Kopplung zu Strom und Wärme umgesetzt werden. 

Wird Biogas entsprechend aufgereinigt, kann hochreine Biomethan ins Erdgasnetz eingespeist, als Kraftstoff (für Erdgasfahrzeuge) genutzt oder als Chemiegrundstoff Verwendung finden.

Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwasser, Gülle und Reststoffen

Nährstoffe sind als Hauptbestandteile von Düngemitteln unverzichtbar für die weltweite Nahrungsmittelproduktion. Bisher werden sie mit der Ernte der Pflanzen aus dem Agrarökosystem entfernt. Dabei sind nicht nur Gülle und Gärreste, sondern auch kommunale Abwässer und Reststoffe der Lebensmittelindustrie reich an Stickstoff, Phosphor, Kalium oder Calcium.

Für ein zukunftsfähiges Wirtschaften ist die Rückgewinnung von Nährstoffen und ein Nährstoff-Recycling zu Düngemitteln essenziell. Das Fraunhofer IGB entwickelt nachhaltige und kosteneffiziente Technologien und Verfahren, um die wertvollen Nährstoffe  zurückzugewinnen und zu pflanzenverfügbaren Düngern und Bodenverbesserern aufzuarbeiten.

Anwendungsfelder

 

Schlamm-Management auf Kläranlagen

Unser Leistungsangebot im Bereich Schlamm-Management auf Kläranlagen berücksichtigt verschiedene Aspekte und erstreckt sich von Lösungen für die Bläh- und Schwimmschlammproblematik, über die Prozessumstellung von aerober zu anaerober Schlammstabilisierung, bis hin zur Auslegung von Faulungen für einen effizienten Betrieb von Faulungen.

 

Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwässern

Abwässer enthalten neben der organischen Fracht auch größere Mengen an Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor, Magnesium oder Kalium. Das Fraunhofer IGB entwickelt Verfahren zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwasserströmen.

 

Biogas aus organischen Abfällen und NaWaRo

In zahlreichen Branchen fallen organische Reststoffe als Nebenprodukte an. Für die energetische Nutzung von Bioabfällen entwickelt das Fraunhofer IGB spezifische Lösungen, um diese möglichst effizient zu Biogas zu vergären. Das Angebot reicht vom Gärtest im Labormaßstab bis zur Auslegung von Anlagen im technischen Maßstab. Biogasanlagen optimieren wir hinsichtlich ihrer Produktivität und Effizienz.

 

Gärreste – Rohstoff für Nährstoffe und Bodenverbesserer

Auch Gärreste enthalten, neben wertvoller organischer Substanz, wichtige Nährstoffe. Am Fraunhofer IGB werden Methoden entwickelt, um Phosphor und Stickstoff zurückzugewinnen. Aus der organischen Substanz entwickeln wir Bodenverbesserer.

 

Aufbereitung von Gülle – Mineraldünger und Bodenverbesserer

Das Fraunhofer IGB entwickelt Technologien zur Rückgewinnung von Nähr- und Wertstoffen sowie von organischen Bestandteilen aus landwirtschaftlichen Abfällen wie Gülle, um hochwertige und kompakte organische und mineralische Düngemittel zu erzeugen.

 

Nährstoffe aus Lebensmittel- und Futtermittelreststoffen

In der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie herrscht ein großer Bedarf an Technologien zur sinnvollen Nutzung von Reststoffen und Abfällen. Die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IGB entwickeln vor diesem Hintergrund Verfahren zur Aufbereitung von Produktionsüberresten und zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus diesen.

 

Herstellung von Pflanzen- und Bodensubstraten

Aufgrund intensiver Landwirtschaft und der damit verbundenen Bodenbelastung ist der Erhalt der Bodenqualität von herausragender Bedeutung. Die Nachfrage nach Düngemitteln ist entsprechend hoch. Das Fraunhofer IGB erforscht deswegen nachhaltige Herstellungsverfahren von Düngern und Bodenverbesserern, aber auch von Pflanzenschutzmitteln auf biotechnologischer Basis.

Technologien

 

Zweistufige Hochlastfaulung

Für die Vergärung von Klärschlamm zu Biogas hat das  IGB ein besonders effizientes Hochlastverfahren entwickelt. 1994 wurde es erstmals auf einer Kläranlage in Betrieb genommen und inzwischen von weiteren kommunalen Kläranlagen erfolgreich betrieben. Die Hochlastfaulung setzt den Schlamm sehr viel schneller und kostengünstiger zu Biogas um als herkömmliche Faultürme.

 

ePhos®: Elektrochemische Phosphor-Rückgewinnung von Phosphor

Für die Rückgewinnung von Phosphor aus kommunalem Abwasser haben wir ein elektrochemisches Verfahren entwickelt, das ohne Zugabe von Chemikalien den hochwertigen Dünger Struvit liefert.

 

BioEcoSIM® – Kombiniertes Verfahren zur Aufbereitung von Gülle und Gärresten

Für die Aufbereitung von Gülle oder Gärresten sind verschiedene Verfahrensschritte notwendig, die als separate Module in einer Anlage integriert wurden. Damit können Phosphordünger, Stickstoffdünger und Bodenverbesserer gewonnen werden.

 

Biologische Nährstoff-Entfernung

Bei der anaeroben Behandlung  von Schlamm oder Bioabfällen verbleiben Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphat zum Großteil in der wässerigen Phase. Werden nährstoffreiche flüssige Gärreste oder Prozesswässer für die Kultivierung von Algen eingesetzt, lassen sie sich wertschöpfend verwerten. Sie eignen sich darüber hinaus für die düngende Bewässerung in der Landwirtschaft.

 

Trocknung fester biologischer Rückstände und Wirkstoffe

Die Trocknung von Gärresten, der organischen Güllefraktion oder von Cyanobakterien erfolgt am IGB mit einem neuartigen Trockner mittels überhitztem Wasserdampf (superheated steam dryer, SHSD). Dieser am Fraunhofer IGB entwickelte Trockner bietet wesentliche Vorteile gegenüber den üblichen Trocknern mit Heißluft.

 

Bioleaching und Biomining

Durch Bioleaching (Biolaugung) werden mithilfe von Bakterien Metalle aus Abfällen mobilisiert. Am IGB liegt der Schwerpunktauf der Gewinnung  und Wiedergewinnung von gelösten Metallen durch biologische Prozesse wie Biosorption, Bioakkumulation oder Biofällung.

Leistungsangebot Gewinnung von Biogas aus Klärschlamm und organischen Reststoffen

Das Fraunhofer IGB entwickelt seit über 40 Jahren biotechnologische Verfahren für die Aufbereitung von Abfall und Wasser – von den mikrobiologischen Grundlagen über den Technikumsmaßstab bis hin zur großtechnischen Anlage. Wir sind Ansprechpartner für Kommunen und Industrieunternehmen, die Interesse haben, biologische Reststoffe zu nutzen und gleichzeitig Abfälle zu beseitigen.

In unseren Technikumsanlagen untersuchen wir die Vergärbarkeit verschiedener biogener Reststoffe und entwickeln Konzepte für die großtechnische Umsetzung. Basic- und Detail-Engineering auf Basis von Fraunhofer-Patenten werden durch unsere industriellen Partner aus dem Anlagenbau bewerkstelligt.

 

  • Machbarkeitsstudien: Untersuchungen zur Vergärbarkeit , Quantifizierung der Biogasausbeute von Substraten/Cosubstraten
  • Charakterisierung von Feststoffen und Substraten: Qualitative und quantitative Biogas-Analytik, Analytik von Inhaltsstoffen von Substraten
  • Spezifische Analyse von Prozessen mit dem Ziel der Verfahrensverbesserungen: Beheben von Störungen, Steigerung der Effizienz, Prozess-Optimierungen
  • Anaerobe Verfahren als Alternative zu aeroben Prozessen
  • Potenzialermittlung zur Leistungssteigerung von Prozessen, z. B. Abwasserreinigung, Biogasanlagen, Klärschlammfaulung
  • Entwicklung von anaeroben Verfahren zur Abwasserreinigung mit dem Ziel maximaler Umsetzung und Effizienz
  • Verfahrensentwicklung zur anaeroben Behandlung von organischen Reststoffen, z. B. aus der Landwirtschaft, der Lebensmittelverarbeitung, Produktion
  • Untersuchungen zur Klärschlammvergärung für die Ermittlung von Auslegungsparametern
  • Technische Umsetzung bis in den Pilotmaßstab
  • Wissenschaftliche Begleitung bei der Inbetriebnahme von Prozessen im technischen Maßstab

Leistungsangebot Nährstoffmanagement

Zurückgewonnene Produkte, die direkt als organische Düngemittel eingesetzt werden können.
Zurückgewonnene Produkte, die direkt als organische Düngemittel eingesetzt werden können.

Nährstoffrückgewinnung / Nährstoffrecycling

  • Untersuchung des unbehandelten Materials oder Reststoffes hinsichtlich des Nährstoffgehalts mittels instrumenteller Analytik
  • Entwicklung von Strategien und Technologien für eine optimale Rückgewinnung bzw. Recycling von Nährstoffen und organischer Substanz  
  • Simulation des Reaktionsverhaltens, statistische Versuchsplanung, Versuche im Labormassstab, Scale-up der Anlagen
  • Durchführung von Machbarkeitsstudien zur Umsetzung geeigneter Rückgewinnungsverfahren, einschließlich Versuchen mit unserer Struvitfällungsanlage und zur Trocknung mit überhitztem Dampf in Labor- und Technikumsmaßstab
  • Thermodynamische und kinetische Analyse der Fällung verschiedener Salze zur Beurteilung kompetitiver Reaktionen
Untersuchung im Labor.
Untersuchung im Labor.

Produktuntersuchungen

  • Stabilitäts- und Alterungsversuche von Flüssigdüngern nach CIPAC
  • Online-Partikelmessung (1 µm - 2,5 mm) von Nährstoffkristallen
Pellets aus Gärresten.
Pellets aus Gärresten.

Formulierung und Verarbeitung von Düngern

  • Entwicklung und Herstellung von Mehrkomponentendüngern aus flüssigen und festen Materialien mit Repellent-Eigenschaften
  • Formulierung und chemische Überprüfung von Flüssigdüngern
  • Herstellung organischer Flüssigdünger und Pflanzenstärkungsmittel im Extraktions- und Suspensionsverfahren
  • Verfahrensentwicklung zur Abtrennung, Trocknung und Pelletierung von Düngemitteln

Infrastruktur und Geräteausstattung

Gewinnung von Biogas aus Klärschlamm und organischen Reststoffen

 

  • Bioreaktoren unterschiedlicher Art und Größe (Labor-, Pilot- und technischer Maßstab)
  • Mobile Membranbioreaktoren für die Abwasserreinigung
  • Technikum für Umwelt- und Bioverfahrenstechnik
  • Testanlagen für verschiedene Membranverfahren, z. B. Rotationsscheibenfilter
  • Mobile Pilotanlagen im m3-Maßstab zur Generierung von Auslegungsdaten vor Ort für die Planung und den Bau innovativer Demonstrationsanlagen

Infomaterialien Biogas aus Klärschlamm und Biomasse / organischen Reststoffen

 

Broschüre »Energieeffiziente Kläranlagen und Biogasanlagen«

Infomaterialien Nährstoffrückgewinnung

 

Broschüre »Rückgewinnung von Nährstoffen zur Herstellung von Düngemitteln«

 

Produktblatt »Gülleaufbereitung und -verwertung als Dünger und Bodenverbesserer«

 

Broschüre »Trocknung mit überhitztem Wasserdampf – Wasserdampf bei Atmosphärendruck«

 

Produktblatt »Superheated steam drying and torrefaction of biomass residues«

(Englisch)

 

Broschüre »Algen – Nachhaltige Rohstoffquelle für Werkstoffe und Energie«

Wissenschaftliche Publikationen Biogas und Schlamm-Management

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2015 Anaerobe Batch-Fermentation mit Mais- und Amaranthsilagen: Biogasproduktion und molekulare Charakterisierung mikrobieller Gemeinschaften
Kempter-Regel, Brigitte; Grumaz, Christian; Wiese, Franziska; Scherge, Katharina; Birk, Carolin; Schließmann, Ursula; Stevens, Philip; Sohn, Kai; Bryniok, Dieter
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2014 Power generation based on biomass by combined fermentation and gasification - A new concept derived from experiments and modelling
Methling, T.; Armbrust, N.; Haitz, T.; Speidel, M.; Poboss, N.; Braun-Unkhoff, M.; Dieter, H.; Kempter-Regel, B.; Kraaij, G.; Schliessmann, U.; Sterr, Y.; Wörner, A.; Hirth, Thomas; Riedel, U.; Scheffknecht, G.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2011 Potencial de otimização da produção de biogás gerado por uma digestão anaeróbia em etes
Waelkens, B.E.; Sternad, W.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2009 Mehr Energieeffizienz für kleinere Kläranlagen - Hochlastfaulung mit Mikrofiltration
Kempter-Regel, B.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2008 Anaerobe Abwasserreinigung in Membranbioreaktoren unter -Verwendung des Rotationsscheibenfilters
Krischke, W.; Mohr, M.; Kempter-Regel, B.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2003 Integration einer Hochlastfaulung in die herkömmliche Technik
Kempter-Regel, B.; Oehlke, M.; Weber, J.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2002 Erfahrungen zur Ammoniakentfernung mit Membrankontaktoren
Chaumette, C.; Walitza, E.; Kempter, B.; Sternad, W.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2001 Verfahren zur Reinigung von Abwasser
Kempter, B.; Sternad, W.; Trösch, W.
Patent
2000 Optimiertes Vergärungsverfahren steigert Umsatz von organischen Abfällen
Kempter, B.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2000 Verbesserter Abbau von kommunalen Klärschlämmen in einer zweistufigen Hochlast-Vergärungsanlage
Kempter, B.; Schmid-Staiger, U.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
1996 Aerober und anaerober Abbau von Abwässern aus der Wasserlackverarbeitung
Kempter, B.
Dissertation
Doctoral Thesis
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Wissenschaftliche Publikationen Nährstoffrückgewinnung

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2019 Phosphates recycled from semi-liquid manure and digestate are suitable alternative fertilizers for ornamentals
Ehmann, Andrea; Bach, Inga-Mareike; Bilbao, Jennifer; Lewandowski, Iris; Müller, Torsten
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2017 Can phosphate salts recovered from manure replace conventional phosphate fertilizer?
Ehmann, Andrea; Bach, Inga-Mareike; Laopeamthong, Sukhanes; Bilbao, Jennifer; Lewandowski, Iris
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2014 Nährstoffrückgewinnung aus Gärprodukten im Rahmen des GoBi-Vorhabens
Frank, Daniel; Messmer, Johannes; Laopeamthong, Sukhanes; Bilbao, Jennifer; Egner, Siegfried
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2014 Phosphorus recovery from wastewater filtrates through a novel electrochemical struvite precipitation process
Bilbao, Jennifer
Dissertation
Doctoral Thesis
2012 Nährstoffrückgewinnung mit elektrochemischer Fällung - Anwendungspotenzial in kommunalen Kläranlagen
Bilbao, Jennifer; Frank, Daniel; Egner, Siegfried; Trösch, Walter; Hirth, Thomas
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2010 Characterization and anaerobic digestion of olive-mill solid wastes
Bilbao, J.; Stoll, Maria Soledad; Bryniok, Dieter; Egner, S.; Trösch, Walter; Hirth, Thomas
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2010 Nährstoff-Recycling als Schritt zur vollständigen Nutzung von Kulturpflanzen
Bilbao, Jennifer; Stoll, Maria Soledad
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2010 Verfahren Rückgewinnung von Phosphatsalzen aus einer Flüssigkeit
Bilbao, J.; Bryniok, D.; Frank, D.; Egner, Siegfried
Patent
2010 Reaktor zur Rückgewinnung von Phosphatsalzen aus einer Flüssigkeit
Bilbao, J.; Bryniok, D.; Campos, A.; Egner, Siegfried
Patent
2010 Closing the nutrients cycle
Bilbao, Jennifer; Stoll, Maria Soledad; Egner, S.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
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