Ammoniakstrippung aus Gärrest: wie sie funktioniert, was sie kostet und was entsteht

Die Ammoniakstrippung ist ein Prozess, bei dem Ammoniumstickstoff aus einer Flüssigkeit (üblicherweise der flüssigen Gärrestfraktion nach der Separation) in einen Gasstrom überführt und anschließend in Säure in Form eines Salzes gebunden wird – meist als Ammoniumsulfat. Voraussetzung für ein wirksames Austreiben ist die Verschiebung des Gleichgewichts NH₄⁺ ⇄ NH₃ in Richtung freies Ammoniak durch Erhöhung von pH-Wert und Temperatur; die Rückgewinnung beträgt typischerweise einige zehn Prozent bis über 90% des Ammoniumstickstoffs. Das Produkt, die Ammoniumsulfatlösung, ist ein konzentrierter Stickstoffdünger mit deutlich geringerem Volumen als der Gärrest.

Funktionsprinzip

1. Aufbereitung der Flüssigkeit: Die flüssige Fraktion nach der Separation (um Schwebstoffe und das Verstopfen der Füllkörper zu begrenzen) wird erwärmt, oft mit Abwärme aus dem CHP.
2. Anheben des pH-Werts: Die Zugabe einer Base (Natriumhydroxid oder Kalk) oder das Ausgasen von CO₂ verschiebt den pH-Wert auf Werte in der Größenordnung von 9–10 und mehr; je höher pH-Wert und Temperatur, desto größer der Anteil von NH₃.
3. Austreiben: In einer Füllkörperkolonne fließt die Flüssigkeit nach unten, während Luft oder Dampf im Gegenstrom strömt und NH₃ mitnimmt.
4. Absorption: Der Gasstrom mit Ammoniak gelangt in einen Wäscher mit Schwefelsäure; es entsteht Ammoniumsulfat (NH₄)₂SO₄, üblicherweise als Lösung mit einer Konzentration in der Größenordnung von einigen zehn Massenprozent.
5. Gaskreislauf: Die Luft nach dem Wäscher kann zum Austreiben zurückgeführt werden.
6. Flüssigkeit nach dem Prozess: hat einen verringerten Gehalt an Ammoniumstickstoff und kann als Verdünnungsmittel im Fermenter oder auf dem Feld verwendet werden.

Aufgrund des Gleichgewichts macht freies NH₃ nur bei hohem pH-Wert einen bedeutenden Anteil des TAN aus – die Formel haben wir im Artikel über die Ammoniakhemmung angegeben. Bei 70 °C beträgt der pKa ca. 8,0, sodass selbst bei pH 9 die freie Form dominiert.

Bilanzbeispiel

Annahmen: 10.000 m³ Flüssigkeit jährlich, TAN = 3,0 g N/l (30 t N jährlich), Rückgewinnung 80% (24 t N). Ammoniumsulfat enthält ca. 21,2% N (28 / 132), also beträgt die Salzmasse = 24 / 0,212 ≈ 113 t (in fester Form); in einer 35%-Lösung sind das ca. 320 t Lösung jährlich. Verbrauch von Schwefelsäure: 1 mol H₂SO₄ bindet 2 mol NH₃, also 24.000 kg N / 14 = 1714 kmol N → 857 kmol H₂SO₄ ≈ 84 t 100%ige Säure (ca. 86 t bei 98%iger Säure). Zusätzlich werden eine Base zum Anheben des pH-Werts sowie Wärmeenergie zum Erwärmen der Flüssigkeit benötigt. Der genaue Verbrauch hängt von der Alkalität der Flüssigkeit ab (hohe Alkalität = höherer Basenverbrauch).

Technologische Varianten

Vorteile

• Verringerung des Stickstoffgehalts in der Flüssigkeit, leichtere Erfüllung der Anforderungen für Felder,
• Düngeprodukt mit gleichbleibender Zusammensetzung und geringem Volumen, leicht zu transportieren,
• Verringerung der Ammoniakhemmung, wenn die Flüssigkeit nach dem Prozess in den Fermenter zurückkehrt,
• Möglichkeit, Stickstoff zu verkaufen.

Grenzen und Kosten

• Kosten für Chemikalien (Säure, Base), Energie und Wartung,
• Bedarf an Vorabscheidung und Entfernung von Schwebstoffen,
• Ablagerung von Kesselstein (Carbonaten) in den Kolonnen,
• Verwertung der Ammoniumsulfatlösung – Rechtsstatus und Produktqualität (Metallgehalt); der Verkauf als Dünger erfordert die Erfüllung der Anforderungen an Düngeprodukte, die im konkreten Fall zu prüfen sind,
• Risiko von Ammoniakemissionen und Notwendigkeit des Arbeitsschutzes beim Umgang mit Säure und Base.

Wann es sinnvoll ist

1. Der Gärrest hat eine hohe TAN-Konzentration (einige g N/l), und die Kosten der Stickstoffverwertung steigen.
2. Es tritt eine Ammoniakhemmung auf, die eine Begrenzung der Gaben erzwingt.
3. Günstige Abwärme ist verfügbar.
4. Es gibt einen Absatzmarkt für Stickstoffdünger.

Checkliste für die Entscheidung

• Messen Sie TAN, pH-Wert, Alkalität und Schwebstoffe der Flüssigkeit.
• Berechnen Sie die N-Bilanz und den Reagenzienverbrauch für die angenommene Rückgewinnung.
• Prüfen Sie die rechtlichen Anforderungen für Produkt und Anlage (Emissionen, Lagerung von Chemikalien).
• Vergleichen Sie mit der Alternative: Verdünnung, Änderung des Mixes, Transport des Gärrests zu Abnehmern.
• Bitten Sie den Lieferanten um Referenzen bei Gärrest aus einem ähnlichen Mix.

Die Strippung ist ein nützliches Werkzeug in Anlagen mit Stickstoffüberschuss, aber selten die erste Wahl: Zuerst lohnt es sich, Mix und Logistik zu optimieren.

Betrieb und typische Probleme

In der Praxis bereiten die größten Schwierigkeiten die Ablagerung von Carbonatkesselstein auf den Füllkörpern der Kolonne (erfordert periodisches Spülen mit Säure), das Verstopfen des Systems durch Schwebstoffe bei unzureichender Separation, Korrosion und Schwankungen der Produktkonzentration. Es empfiehlt sich, pH-Wert, Temperatur, Flüssigkeits- und Luftdurchfluss sowie die TAN-Konzentration am Ein- und Ausgang kontinuierlich zu messen; ein Rückgang der Rückgewinnung ist das erste Signal für eine Verschmutzung der Füllkörper. Die Ammoniumsulfatlösung wird in chemisch beständigen Behältern gelagert, mit Auslaufsicherung und Lüftungskontrolle, und die Bedienung erfordert persönliche Schutzausrüstung und eine Schulung im Umgang mit Säuren und Basen.