Wången is a trotting school located in Alsen region in Mid Sweden. Currently they keep almost 105 horses in their premises, which produce 2 400 m3 of stall waste per year.  Stall waste has always been a concern for those who keep animals, and though composting has been a viable solution to this problem for quite some time, it is no longer the only solution. Stall waste can be converted to energy and there are different techniques and approaches to do so.  In this study the writer compares the viability of two possible techniques (Biogas and heating plant) by collecting data from two existing biogas and heating plant providers for Wången trotting school. The results show that with almost same amount of investment on the reactors, a heating plant can meet 85% of Wången heating demand while Biogas plant could only meet 10 % of Wången’s heating consumption. On the other hand, as a result of nitrogen bound compound existence in horse manure, burning stall waste in the heating plant showed a more acidifying potential compared to the biogas plant. / Investigation for Wången trotting school

Das Interesse an der Biogastechnologie in der Landwirtschaft bezüglich der Vergärung von Feststoffen stieg insbesondere mit der Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2004 deutlich an. In diesem wurde unter anderen das Ziel verankert, den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung in Deutschland deutlich zu erhöhen. Biomasse hat das Potential einen deutlichen höheren Beitrag zur Deckung der Energieversorgung zu leisten als bisher. Dieses Potential kann durch verschiedenste Verfahren nutzbar gemacht werden, wozu auch die anaerobe Fermentation von Biomasse zu energiereichem Biogas zählt. Die derzeit in konventionellen Anlagen größtenteils eingesetzten Rührkesselreaktoren sind nur begrenzt für Reststoffe aus der Landwirtschaft geeignet, da sich ihr Durchmischungsaufwand mit der Feststoffzufuhr deutlich erhöht. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Substrat Pferdemist auf Strohbasis in einem für die Feststofffermentation entwickelten Verfahren, dem Aufstromverfahren, zu erproben. Dazu wurde der Einfluss von zwei Betriebssystemen und von zwei Temperaturniveaus unter Erhöhung der Raumbelastung auf den Fermentationsprozess überprüft. Des Weiteren wurde die überaus wichtige Fragestellung nach der Generierung klimarelevanter Gase (N2O, CH4, CO2) bei der Lagerung von Gärresten in unterschiedlichen Behandlungsformen untersucht. Mesophile Vergärung im Aufstromverfahren Das kontinuierlich betriebene, undurchmischte Aufstromverfahren ist durch seine Funktionsweise besonders für die Vergärung von Feststoffen geeignet. Dieses beruht auf dem Dichteunterschied zwischen den organischen Feststoffpartikeln und der Prozessflüssigkeit. Die abzubauenden Feststoffpartikel steigen aufgrund einer geringeren Dichte und durch Anlagerung von Gasbläschen im Reaktor auf, worauf sich der Name des Verfahrens und des Reaktors, des Aufstromfeststoffreaktors (AFR) bezieht. In diesem zweiphasigen System aus fester und flüssiger Phase, wird die Prozessflüssigkeit durch den Feststoffpropfen geleitet, wobei gelöste Intermediate abtransportiert werden. Die Flüssigkeit wird beim 1-stufigen System dem AFR wieder zugeführt. Bei dem 2-stufigen System wird der AFR durch einen Festbettreaktor (FBR) erweitert, welcher mit Aufwuchsträgern befüllt ist und in welchem die gelösten Intermediate abgebaut werden. Der erste Teilbereich dieser Arbeit beschäftigte sich mit der generellen Erprobung des Aufstromverfahrens mit dem Substrat Pferdemist bei mesophilen Temperaturen (37°C). Dazu wurden beide Betriebssysteme eingesetzt und die Raumbelastung der Reaktoren stufenweisen erhöht. Das im Prozess entstehende Biogas wurde auf sein Volumen sowie auf die Zusammensetzung überprüft und auf Normbedingungen korrigiert. Im Verlauf des Versuches, welcher bei einer Raumbelastung von 2,5 g organischer Trockensubstanz pro Liter Reaktorvolumen und Tag (goTS L-1 d-1) begann und auf 4,5 goTS L-1 d-1 erhöht wurde, wurden die Menge an zugeführtem Substrat analog erhöht. Die täglich ermittelten Methan-Produktionsraten zeigten einen signifikanten Anstieg (P<0,05) mit jeder Erhöhung der Raumbelastungsstufe. Ein Unterschied zwischen dem 1- und 2-stufigen System konnte nicht ermittelt werden. Schlussfolgernd zeigen die Ergebnisse, dass das Aufstromverfahren für die Vergärung von Pferdemist auf Strohbasis bei mesophilen Temperaturen durchaus geeignet ist und dass das 2-stufige Verfahren gegenüber dem 1-stufigen Verfahren bei den getesteten Raumbelastungen keinen Vorteil brachte. Thermophile Vergärung im Aufstromverfahren Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit war es, den Einfluss von thermophilen Temperaturen auf den Biogasprozess zu testen. Dazu wurde der Versuchsaufbau beider Betriebssysteme übernommen und die Reaktoren auf 55°C geheizt. Die Raumbelastung wurde ebenfalls stufenweise von 2,5 auf 5,5 goTS L-1 d-1 erhöht. Die produzierte Menge an Biogas sowie dessen Zusammensetzung wurde täglich ermittelt und auf Normbedingungen korrigiert. Wie auch im mesophilen Versuch verzeichneten die Methan-Produktionsraten einen signifikanten Anstieg (P<0,05) mit der Erhöhung der Raumbelastung bei beiden Betriebssystemen. Das 2-stufige Verfahren erreichte dabei nahezu gleich hohe Methanraten wie das 1-stufige. Der Vergleich der Methanraten zwischen dem mesophilen und thermophilen Durchgang verdeutlicht, dass diese durch die Erhöhung der Betriebstemperaturen hochsignifikant (P<0,0001) um 58,1% gesteigert werden konnte. Die Teilversuche haben gezeigt, dass es möglich ist Pferdemist und Stroh kontinuierlich im Aufstromverfahren bei mesophilen und thermophilen Temperaturen zu vergären. Den größten Einfluss auf die Methan-Produktion nahmen dabei die Raumbelastung und die Temperatur ein. Die Erweiterung durch einen Festbettreaktor im 2-stufigen Aufbau führte bei den geprüften Raumbelastungen zu keinen Vorteilen gegenüber dem 1-stufigen System. Effekt der Gärrest-Stabilisierung auf Treibhausgasemissionen während der Lagerung Eine weitere Problemstellung dieser Arbeit war die Ermittlung von treibhaus- und klimarelevanten Emissionen bei der Lagerung von Gärresten. Bei der Vergärung von Biomasse entsteht ein Anteil an Gärrest, welcher beim Prozess nicht abgebaut werden kann. Der Anteil ist abhängig von der Zusammensetzung des eingesetzten Substrats. Der durch den Einsatz von Pferdemist und Weizenstroh generierte Gärrest wurde in einer weiteren Untersuchung über 30 Tage in gasdichten Behältern gelagert und dessen Emissionen untersucht. Die eingesetzten Varianten wurden zuvor bei 60°C und verschiedenen Haltezeiten (6h, 12h, 24h) thermisch stabilisiert. Des Weiteren wurde unbehandelter Gärrest als Kontrolle getestet und jeweils eine Charge mit den Additiven Biokohle und Zeolith versetzt. Innerhalb der 30 Tage Lagerdauer wurden stündlich aus jeder Lagertonne Gasproben genommen und auf folgende Gase untersucht: NH3, CH4, N2O, CO2 und H2O. Die thermische Stabilisierung des Gärrests durch 24 h Trocknung bei 60°C erreichte die größte Minderung bei den gemessenen Treibhausgasen. Alle anderen Varianten (6- und 12h Trocknung, Zugabe von Biokohle und Zeolith) reduzierten die auftretenden Emissionen im Gegensatz zum unbehandelten Gärrest ebenfalls. Die Zugabe von Zeolith und Biokohle zeigte sich besser geeignet für die Kurzzeit-Lagerung der Gärreste (10-20 Tage). Die thermische Stabilisierung zeigte insgesamt den größten Minderungseffekt, solange die benötigte Wärme für die Trocknung aus dem eigentlichen Biogasprozess gedeckt werden kann. Die Untersuchung hat gezeigt, dass das Substrat Pferdemist für die Produktion von Biogas in höchstem Maße geeignet ist. Beim Einsatz in Aufstromfeststoffreaktoren konnten keine prozesstechnischen Probleme festgestellt werden, sodass sich das Betriebssystem als geeignet herausstellte. Da das Verfahren derzeit noch keine Anwendung in der Praxis findet, ist die Erforschung zur Vergärung von Pferdemist und der Gärrestbehandlung unter Praxisbedingungen essentiell.

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In horse keeping horse manure is produced, which can be utilized as a fertilizer or considered a waste. Horse manure constitutes a resource in terms of both plant nutrients and energy. In addition energy policies and objectives aim at replacing fossil fuels with renewable energy sources. The interest to improve resource recovery of horse manure increases due various incentives for renewable vehicle fuels, legal requirements on management of manure, and environmental impact from current horse manure management. This thesis aims at describing horse manure management in a life cycle perspective. This is made by (1) identifying factors in horse keeping affect­ing the possibility to use horse manure as a biogas feedstock and to recycle plant nutrients, (2) analysing factors in anaerobic digestion with influence on methane potential and biofertilizer nutrient content and (3) comparing the environmental impact from different horse manure treatment methods. Literature reviews, systematic combining, and simulations have been used as research methods. The results show that horse keeping activities such as feeding, indoor keeping, outdoor keeping and manure storage affect the amount and charac­teristics of horse manure and thereby also the possibilities for anaerobic digestion horse manure. Transport affects the collected amount and spread­ing affects loss of nutrients and nutrient recycling. Simulation results in­dicate the highest methane yield and energy balance from paper bedding, while straw and peat gave a higher nutrient content of the biofertilizer. The highest methane yield was achieved with a low rate of bedding, which in the cases of woodchips and paper is also preferable for plant nutrient recycling. Still, results indicate the best energy balance from anaerobic digestion with a high ratio of bedding. The environmental impact assessment indicates a reduction in global warming potential for anaerobic digestion compared to incineration or composting. / Vid hästhållning alstras hästgödsel som kan användas som växtnäring eller anses vara ett avfall. Hästgödsel utgör både en växtnäringsresurs och en energi resurs. Dessutom styr uppsatta energimål mot att förnybar energi ska ersätta fossila bränslen. Intresset för att öka resursutnyttjandet av hästgödsel ökar på grund av olika incitament för förnybara drivmedel, lagstiftning om gödselhantering och miljöpåverkan från dagens hantering av hästgödsel. I den här avhandlingen beskrivs hästgödselhantering i ett livscykel­perspektiv genom att (1) identifiera olika faktorer vid hästhållningen som påverkar möjligheten att utvinna biogas ur hästgödsel och återföra näringen till jordbruksmark, (2) analysera faktorer i biogasprocessen som påverkar den specifika metanmängden och innehållet av växtnäring i gödseln och (3) jämföra olika gödselhanteringsmetoders miljöpåverkan. Metoderna i avhan­dlingen har varit litteraturstudier, systematisk kombination av teori och em­piri samt simulering. Resultaten visar att utfodringen, om och hur hästarna hålls inomhus och utomhus och hur hästgödsel lagras påverkar mängden hästgödsel och dess egenskaper, och därmed också hur den fungerar som ett biogassubstrat. Trans­porterna har betydelse för hur mycket gödsel som kan samlas in och spridas, medan gödselspridningen påverkar näringsförluster och närings återföring. Resultaten från simuleringarna indikerar högst metanutbyte och bäst energi­balans från papper som strömaterial, medan halm och torv gav högre växt­näringsinnehåll i biogödseln. De högsta resultaten på specifik metanmängd nåddes med låg andel strö, vilket också var positivt för växtnäringsinnehållet vid scenarierna med spån och papper. Samtidigt indikerar resultaten att en hög andel strömaterial ger den bästa energibalansen. Miljöpåverkansbedöm­ningen indikerar att potentialen för klimatpåverkan minskar om hästgödsel behandlas i en biogasprocess jämfört med förbränning eller kompostering.

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Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zu untersuchen, ob sich mit der Düngung von Stroh, Gehölzhäcksel, frischem Pferdemist und Grüngutkompost die Ertragsleistung und Nährstoffaufnahme von Leguminosen sowie der Folgefrucht Winterweizen steigern lässt. Darüber hinaus sollte die Aufnahme von düngebürtigem Kohlenstoff durch Rotklee mittels 13-C-angereichertem Stroh quantifiziert werden. Die Verfügbarkeit von Kalium, teilweise auch von Schwefel und Molybdän, wurde vor allem nach der Düngung von Grüngutkompost und von Pferdemist für die untersuchten Leguminosen verbessert, während nach der Düngung von Gehölzhäcksel und Stroh keine signifikanten Effekte auf die Nährstoffaufnahme der Pflanzen festgestellt werden konnten. Die scheinbare Ausnutzung des gedüngten Stickstoffs durch die Leguminosen lag in Abhängigkeit von der Düngung zwischen 0 und 9 % (Gehölzhäcksel < Grüngutkompost < Pferdemist < Stroh). Nur nach der Düngung von Pferdemist zu Saatplatterbse und Ackerbohne verringerte sich der Anteil an symbiotisch fixiertem Luftstickstoff am Spross-N gegenüber der Kontrolle, nicht jedoch die symbiotisch fixierte N-Menge. Der Vorrat an mineralischem Stickstoff im Boden in einer Tiefe von 0 bis 30 cm war unter Ackerbohne und Rotklee ca. 40 Tage nach der Düngung und Einarbeitung von Gehölzhäcksel gegenüber den Vergleichsvarianten und der Kontrolle deutlich vermindert. Ein Einfluss der durch die Düngung bedingten temporären N-Festlegung im Boden auf den Anteil an fixiertem Luftstickstoff am Spross-N konnte bei keiner der untersuchten Leguminosen festgestellt werden. Der nachfolgende Winterweizen reagierte in einem Jahr mit signifikant höherem Kornertrag auf die Düngung von Grüngutkompost zu Ackerbohne und erhöhtem Rohproteingehalt im Korn auf die Düngung von Pferdemist zu Saatplatterbse. Mit Hilfe von 13-C-markiertem Stroh wurde im Freiland eine Assimilation von 0,5 % der mit dem Stroh gedüngten Kohlenstoffmenge durch Rotklee ermittelt. / The aim of this study was to examine, whether the application of wheat straw, pruning, horse manure and green compost improves the yield formation and nutrient uptake of legumes and the succeeding crop winter wheat. Furthermore it should be quantified the amount of carbon in red clover derived from the organic fertilizer by carbon dioxid assimilation. An improved uptake of potassium, partially of sulphur and molybdenum for the legumes could be detected after the application of green compost and horse manure. No effects were found on plant nutrient uptake after the application of straw and pruning. The apparent utilization of the applied nitrogen by organic fertilizer was 0 to 9 %, depending on the fertilization (pruning < green compost < horse manure < straw). The proportion of symbiontically fixed nitrogen decrease in faba bean and in chick-pea after manuring with horse manure compared with the control. However the total amount of symbiotically fixed nitrogen did not decreased. The amount of mineral nitrogen in the soil (depth: 0 to 0,3 m) was significant reduced under faba bean and red clover, 40 days after application and incorporation of pruning. No effect on the symbiotic nitrogen fixation of the legumes was found because of the organic fertilizer induced temporary immobilization of nitrogen in this soil layer. An increased grain yield was determined in the succeeding winter wheat after fertilizing green compost to faba bean and a higher content of crude protein in grain of the wheat was determined after fertilizing horse manure to chick-pea. With the help of a 13C-tracer method it could be estimated, that about 0,5 % of the added carbon with straw was assimilated by red clover under field conditions.