Umluftreinigung von Stallluft

Hintergrund und Zielsetzung

Ammoniak ist einer der wichtigsten Luftschadstoffe und trägt maßgeblich zur Versauerung und Nährstoffanreicherung von Gewässern und Grundwasser bei. Ammoniak ist auch eine relevante Vorläufersubstanz zur Bildung klimawirksamen Lachgases. Darüber hinaus schädigt Ammoniak die Gesundheit der Tiere im Stall, insbesondere durch Schleimhautreizungen und Schädigungen des Atemtraktes. Die europaweit abgestimmten Emissionsobergrenzen für Ammoniak sind von Deutschland bislang erheblich überschritten worden. Die Ammoniakemissionen müssen daher deutlich reduziert werden. Ziel des Projektes ist es, ein Verfahren zur Abscheidung von Ammoniak und Aerosolen aus der Stallluft mithilfe eines Luftwäschers zu entwickeln. Mit einem Moving Bed-Biofilm-Reaktor (MBBR) sollen ausgewaschene Abluftinhaltstoffe abgebaut werden. Aerosole wie Futterbestandteile sollen durch den Biofilm zu Kohlendioxid, Wasser und Wärme abgebaut werden, während Ammoniak zu Nitrat oxidiert und ggfs. im MBBR-Reaktor auch zu atmosphärischem Stickstoff umgesetzt werden soll.

Zielgruppe

Tierhalter, Betreiber von Schweinehaltungsanlagen

Agrarverbände, Interessenvertretungen, Landwirtschaftskammern

Industrie (Verfahrenstechnik, Kunststofffertigung)

Forschungs- und Bildungseinrichtungen

Vorgehensweise

Im ersten Projektschritt wird ein Prototyp aus Luftwäscher und MBBR-Reaktor anhand von Praxisdaten (Schadgaskonzentrationen, Luftraten, Temperaturen und Feuchten in der Schweinehaltung) geplant. Darauf basierend werden die technische Ausstattung des Verfahrens und die Prozesssteuerung festgelegt. Anschließend erfolgen Bau und Installation des Prototyps in einem Mastabteil für Mastschweine. Nach Installation und Inbetriebnahme des Prototyps erfolgt die Leistungsprüfung für den Luftwäscher in Hinblick auf die Ammoniak- und Partikelabscheidung bei unterschiedlichen Volumenströmen und Betriebsbedingungen. Bei der Leistungsprüfung des MBBR-Reaktors stehen Nitrifikationsleistung bei unterschiedlichen Belüftungsintensitäten sowie die entstehenden Reaktionsprodukte im Vordergrund. Erforderliche bauliche und verfahrenstechnische Verbesserungen werden im Rahmen des Probebetriebes umgesetzt. In weiteren Projektschritten wird geprüft, wie das Verfahren auf die Stallluft und die Tiergesundheit wirkt. Außerdem sollen Betriebskosten und die Betriebssicherheit erfasst und bewertet werden.    

Unsere Forschungsfragen

Ist es möglich, mithilfe des neuen MBBR-Verfahrens die Ammoniak- und Aerosolkonzentration in der Stallinnenluft  dauerhaft zu verringern?

Welche Reinigungsleistungen können mit dem System gewährleistet werden und welche Waschwassermengen fallen bei dem Prozess an?

In welchem Umfang kann das gereinigte Waschwasser aus dem MBBR-Reaktor erneut zur Ammoniakabscheidung im Stall wiederverwertet werden?

Ergebnisse

Im EliAAS-Projekt (Elimination von Ammoniak und Aerosolen aus Stallluft) wurden im Zeitraum von Februar 2020 - August 2021 Versuche zur Verbesserung der Stallluftqualität durchgeführt. Das Verfahren bestand aus den Komponenten Abluftwäscher, Nitrifikationseinheit und Denitrifikationseinheit. Aufgrund eines Krankheitsausbruches auf der Versuchsstation sowie den Beschränkungen durch die Corona-Epedemie lag der Schwerpunkt der Arbeiten auf Untersuchungen zur Umsetzung von Stickstoff in der Nitrifikation und Denitrifikation. Der zunächst vorgesehene kontinuierliche Betrieb der Anlage scheiterte daran, dass bei nicht optimal laufender Denitrifikation das als C-Quelle dosierte Methanol in die Nitrifikationsanlage gelangte und dort die Nitrifikation hemmte. Aus diesem Grund wurde eine diskontinuierliche Betriebsweise gewählt, bei der beide Stufen in der Zeit von 08:00 - 16:00 Uhr getrennt wurden. In diesem Zeitraum sollte dann die C-Quelle in der Denitrifikationseinheit möglichst vollständig abgebaut werden. Die durchgeführten Stickstoff-Bilanzierunen zeigten nur eine vergleichsweise geringe Produktion sekundärer Spurengase. Bezogen auf den N-Eintrag lagen diese bei 0,25 +/- 0,32 % ini der Nitrifikation und bei 0,07 +/- 0,07 % in der Denitrifikation. Im Wesentlichen traten N2O-Verluste auf. Die durchschnittliche Oxidationsleistung in der Nitrifikation lag bei 24,4 +/- 8,8 g NOx-N/Tag, während die Denitrifikationsleistung 33,9 +/- 9,4 g NOx-N/tag betrug. Bedingt durch eine Reihe verfahrenstechnischer Probleme war der Anlagenbetrieb störanfällig und erforderte eine intensive Betreuung. Während bei einer N-Dosierung von 60 g/Tag die Nitrifikation keine ausreichende Oxidation gewährleisten konnte, wurde bei 30 g/Tag  mit 80,8 % eine gute Verfahrenseffizienz erreicht. Bei einer Dosierung von 15 g/Tag wurde das Potenzial der Anlage hingegen nicht ausgeschöpft. Zur Aufrechterhaltung eines stabilen Anlagenbetriebes war ein hoher Betreuungsaufwand erforderlich. Das Verfahren kann aufgrund der tierphysiologischen Ansprüche im Stall nur als Teilreinigung betrieben werden (Wärme- und Feuchteabfuhr aus dem Stall). Unter Zugrundelegung einer Reinigung von ca. 25 % der Stallluft ergaben die Kalkulationen, dass für die pH-Pufferung mit Natriumhydrogencarbonat ca. 2,0 - 2,4 kg/Mastplatz und Jahr erforderlich sind. Der Mehanolverbrauch ist mit 1,2 - 3,6 kg/Mastplatz und Jahr anzusetzen und die erforderliche Abschlämmrate beläuft sich auf 37,6 - 91,3 Liter/Mastplatz und Jahr.