Influence of temperature and feeding mode on digestion and sanitation efficiency during multiple-stage anaerobic treatment of liquid dairy cattle manure [Elektronische Ressource] / Mathias Effenberger

Technische Universität München
Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik



Influence of temperature and feeding mode on
digestion and sanitation efficiency during multiple-
stage anaerobic treatment of liquid dairy cattle
manure




Mathias Effenberger


Vollständiger Abdruck der
von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung,
Landnutzung und Umwelt der Technischen Universität München
zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

genehmigten Dissertation.


Vorsitzender:
Univ.-Prof. Dr. J. Meyer

Prüfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr. H. Auernhammer, i. R.
2. Univ.-Prof. Dr. K. J. Hülsbergen
3. Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. P. A. Wilderer, i. R.


Die Dissertation wurde am 19.09.2007 bei der Technischen Universität
München eingereicht und durch die Fakultät Wissenschaftszentrum
Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
am 11.03.2008 angenommen. DANKSAGUNG / ACKNOWLEDGEMENTS

Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Landtechnik und Tierhaltung der Bayerischen
Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL; vormals Bayerische Landesanstalt für Landtechnik)
im Rahmen eines durch das Bayerische Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten
geförderten Forschungsprojektes angefertigt.

An den Anfang dieser Danksagung möchte ich das Andenken an meinen ursprünglichen
Doktorvater Herrn Prof. Dr. Dr. h.c. Hans Schön stellen, der leider während meiner
Promotionszeit plötzlich verstarb. Herrn Prof. Dr. habil. Hermann Auernhammer danke ich,
dass er daraufhin ohne Zögern bereit war, die Begutachtung der Arbeit am Lehrstuhl für
Agrarsystemtechnik zu übernehmen. Bei den Herren Prof. Dr. habil. Kurt-Jürgen Hülsbergen
und Prof. Dr.-Ing. Peter A. Wilderer bedanke ich mich für die bereitwillige und engagierte
Übernahme der Koreferate.

Prof. Dr. Milos Tesić danke ich für seine hilfreichen kritischen Anmerkungen.

Dr. Andreas Gronauer gebührt Dank für die fachliche Betreuung der Arbeit und die
persönliche Unterstützung. Bei Dr. Michael Lebuhn und Gabriela Garcés bedanke ich mich
für die stets angenehme und interessante Zusammenarbeit und die Prise Humor im rechten
Moment. Johannes Bachmaier stand mir in so mancher Gülleschlacht bei und verlor
irgendwie nie seine niederbayrische Gelassenheit. Ein Danke auch an Robert Kliche, der mich
im Labor unterstützt hat. Besonderer Dank geht an die Mitarbeiter des Arbeitsbereiches
Mechatronik am Institut für Landtechnik und Tierhaltung, namentlich an Karl-Heinz Bröker.
Bei Dieter Nast von der Abteilung Qualitäts- und Untersuchungswesen der LfL bedanke ich
mich für die Unterstützung bei der Tracer-Analytik. Allen Kolleginnen und Kollegen im
Arbeitsbereich Umwelttechnik der Landnutzung danke ich für ihren Beitrag zu einem
lebenswerten Arbeitsalltag.

Herrn Johann Schweiger mit Familie danke ich für die gute freundliche Zusammenarbeit und
die kompetente Betreuung der Pilot-Biogasanlage.

Bei Sr. Marie-Helene bedanke ich mich für ihre treue Begleitung und weisen Rat. I thank
Emmanuel C. George for encouraging me to keep “climbing up the mountain”.

Meinen Eltern gebührt unschätzbarer Dank, dass sie in vielerlei Hinsicht die Grundlagen
dafür gelegt haben, dass ich studieren konnte. Bei Andi bedanke ich mich für manches
ermutigende Wort und seinen brüderlichen Beistand.

Unschätzbarer Dank geht auch an meinen unverhofften Schatz.

O.A.M.D.G.

Freising, im September 2007 Mathias Effenberger
Table of Contents
TABLE OF CONTENTS
1 INTRODUCTION.......................................................................................................... 1
2 STATE OF KNOWLEDGE........................................................................................... 4
2.1 Environmental Impacts and Health Risks Associated with Livestock Manure ............. 4
2.1.1 Hygienic Risks of Land Spreading................................................................................. 5
2.1.2 Legislation ...................................................................................................................... 5
2.2 Treatment of Livestock Manure ..................................................................................... 7
2.2.1 Treatment Options for Sanitation ................................................................................... 8
2.2.2 Control of Pathogen Reduction ...................................................................................... 9
2.3 Detection and Quantification of Pathogenic and Indicator Microorganisms
in Slurries...................................................................................................................... 11
2.4 Anaerobic Treatment of Liquid Cattle Manure............................................................ 13
2.4.1 Biochemistry of the Anaerobic Treatment Process...................................................... 13
2.4.2 Anaerobic Digestion Systems for Liquid Cattle Manure ............................................. 17
2.4.3 Sanitation by Anaerobic Digestion............................................................................... 19
2.4.4 Digestion Performance of “Advanced” Anaerobic Treatment Processes .................... 23
3 THE SCOPE OF THE THESIS ................................................................................... 27
4 MATERIALS AND METHODS ................................................................................. 29
4.1 Pilot Biogas Plant ......................................................................................................... 29
4.1.1 Experimental Farm ....................................................................................................... 29
4.1.2 Collection and Treatment of Liquid Manure................................................................ 29
4.1.3 Collection and Utilization of Biogas ............................................................................ 31
4.1.4 Process Control and Data Logging............................................................................... 32
4.2 Procedures at Pilot-Scale.............................................................................................. 33
4.3 Model-Scale Biogas Plant ............................................................................................ 35
4.3.1 Assembly of Model Plant ............................................................................................. 35
4.3.2 Process Control and Data Logging............................................................................... 39
4.4 Procedures at Model-Scale........................................................................................... 40
4.5 Analytical Procedures................................................................................................... 42
4.5.1 Dry matter..................................................................................................................... 43
4.5.2 Volatile Solids .............................................................................................................. 43
4.5.3 Chemical Oxygen Demand........................................................................................... 43
4.5.4 Parameters Derived from Feed Analyses ..................................................................... 43
4.5.5 Ammoniac Nitrogen ..................................................................................................... 44 Table of Contents
4.5.6 Elemental Analysis....................................................................................................... 45
4.5.7 Volatile Fatty Acids...................................................................................................... 45
4.5.8 pH Value....................................................................................................................... 45
4.5.9 Alkalinity...................................................................................................................... 45
4.5.10 Electrical Conductivity................................................................................................. 45
4.5.11 Biogas Production ........................................................................................................ 45
4.5.12 Biogas Composition ..................................................................................................... 47
4.6 Characteristics of Liquid Dairy Cattle Manure ............................................................ 47
4.7 Evaluation of Treatment Performance.......................................................................... 49
4.8 Determination of The Methane Yield of Digested Manure in Batch-Tests ................. 50
4.9 Investigations of Residence Time Distributions and Mixing Conditions
in Tubular Horizontal Digesters by a Tracer Method .................................................. 51
4.9.1 Selection of Tracer .....................................................