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The provision of nutrients and organic matter to arable soils is critical to facilitate an intensive agriculture and secure long-term soil functionality. Municipal organic waste (MOW) is rich in nutrients and organic matter and its recycling onto agricultural lands presents a promising alternative to conventional fertilizers. In comparison to common aerobic treatment, the application of the biogas technology enables the recovery of both energy and soil amendments. The introduction of a mandatory separate collection in Germany in 2015 reflects the political will to increase MOW recovery rates and facilitates its utilization as feedstock in biogas plants. However, MOW is a challenging feedstock as its composition varies and it is often contaminated with impurities such as plastics and metals. The two-stage anaerobic digestion process with dry fermentation is very robust and offers possibilities for process control so that no extensive MOW pretreatment is required. To close nutrient circles, remaining digestates shall be processed to soil amendments, which can be redistributed to arable land. However, less is known about digestate properties from two-stage digestion of MOW and how they are influenced during the treatment process. Furthermore, only scarce information on nutrient recovery rates and the accumulation of elements during processing is available. Therefore, this thesis investigates the development of digestate properties during anaerobic and subsequent aerobic treatment at laboratory and semi-industrial scale. During a first experiment, changes in nutrient and heavy metal concentration in the solid digestate were monitored during anaerobic treatment of MOW in a two-stage laboratory biogas plant. A second investigation related amendment properties of MOW digestate of one origin to different post-treatment procedures. The impact of drying, composting and sieving on final digestate properties and specifically nutrient availability and heavy metal and carbon elution was evaluated. A third experimental approach investigated total material and substance flows during treatment of source-separated MOW in a semi-industrial scale two-stage biogas plant and subsequent digestate composting including impurities removal. Für eine intensive landwirtschaftliche Nutzung und die Sicherung der Fruchtbarkeit unserer Böden ist deren Versorgung mit Nährstoffen und organischer Substanz unerlässlich. Die Rückführung von Substraten auf der Basis von Bioabfällen aus der getrennten Sammlung in den natürlichen Stoffkreislauf kann eine Alternative zu herkömmlichen Dünge- oder Bodenhilfsmitteln sein. Neben der aeroben Kompostierung bietet sich der Einsatz der Bioabfälle in Biogasanlagen an, welcher neben dem stofflichen auch ein energetisches Recycling ermöglicht. Die Einführung der flächendeckenden Getrenntsammlung von Bioabfällen im Januar 2015 in Deutschland soll die Nutzung dieser Ressource intensivieren und somit auch dessen Einsatz in Biogasanlagen steigern. Bioabfall ist aufgrund seiner schwankenden Zusammensetzung ein anspruchsvoller Einsatzstoff, der zusätzlich mit Störstoffen kontaminiert sein kann. Das zweistufige Biogasverfahren mit einer Trockenfermentation in der ersten Prozessstufe ist unempfindlich gegenüber Störstoffen und ermöglicht die Verwertung von Bioabfällen ohne aufwändige Vorbehandlung. Die am Prozessende verbleibenden Gärreste sollen aufbereitet und als Bodenverbesserer eingesetzt werden. Die dafür notwendigen Qualitätsanforderungen sind in der Bioabfallverordnung (BioAbV) und der Düngeverordnung (DüV) festgelegt. Wenig ist bekannt über Gärresteigenschaften aus der zweistufigen Bioabfallvergärung und wie diese durch die Prozessführung und anschließende Aufbereitung beeinflusst werden. Außerdem fehlen Informationen zu Nährstoffrückgewinnungsraten und der Anreicherung von Schwermetallen während des Behandlungsprozesses. Diese Dissertation befasst sich daher mit der Entwicklung der Substrateigenschaften während der zweistufigen Vergärung und Aufbereitung von Bioabfällen im Labor- und Technikumsmaßstab. Die Dissertation beschreibt und bewertet die Ergebnisse einer Versuchsreihe, welche die Veränderung der Gärresteigenschaften sowie die Anreicherung von Nährstoffen und Schwermetallen in Abhängigkeit von der Verweilzeit des Substrates in der zweistufigen Biogasanlage im Labormaßstab untersucht. In einer weiteren Versuchsreihe wurde die Entwicklung der Gärresteigenschaften während der Aufbereitung durch Trocknung oder Kompostierung sowie Fraktionierung betrachtet. Hierbei stand insbesondere die Verfügbarkeit und Freisetzung von Nährstoffen, Schwermetallen und Kohlenstoff im Fokus. Abschließend erfolgte die Untersuchung der Substrateigenschaften während der gesamten biologischen Behandlung der Bioabfälle im großtechnischen Maßstab und die Bilanzierung der Masse- und Stoffströme. |
