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DIMINUER L'AZOTE DANS LES DIGESTATS La réutilisation des digestats peut nécessiter un traitement préalable pour améliorer sa qualité ou gérer un surplus de nutriments. Des filières de traitement biologiques sont utilisées couramment en stations d'épuration ou en industrie, mais elles sont généralement trop chères et trop comple- xes pour les installations agricoles et industrielles de petite ou moyenne taille. D'où la nécessité de développer une méthode adaptée. Toine Bakx, Sébastien Roches, Yves Membrez, Erep SA Christof Holliger, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, LBE Martin Baggenstos, Aurélie Chappaz, Wabag MÉTHODE DE TRAITEMENT BIOLOGIQUE 32 | ARTICLE AQUA & GAS N o 2 | 2012 INTRODUCTION Le digestat est la matière digérée sortant du procédé de métha- nisation. Les caractéristiques du digestat dépendent du type d’installation de méthanisation et des substrats digérés. De manière générale, on peut dire que la quantité d’azote dans le digestat est similaire à celle dans la biomasse introduite dans l’installation pour y être fermentée. La méthanisation provoque un changement de la distribution entre l’azote présent sous forme organique et l’azote présent sous forme d’ammonium, une de ses formes minérales. Lors de la digestion anaérobie (fermentation), l’azote organique, donc l’azote incorporé dans la masse organique est transformé en ammonium, l’azote minéral. Le quotient de transformation de l’azote est environ proportionnel au rendement de l’élimination de la matière organique. MOTIVATION L’émission de composés azotés dans l’environnement est princi- palement due aux activités agricoles. Malgré la réglementation, certaines terres agricoles sont en excédent d’azote. Certaines régions sont plus touchées que d’autres (surtout concernant les nitrates dans les eaux souterraines) en raison de la forte concen- STICKSTOFFÜBERSCHUSS IM GÄRGUT ENTFERNUNG DURCH BIOLOGISCHES VERFAHREN Während der Methanisierung wird der organische Stickstoff in mi- neralischen Stickstoff in Form von Ammonium umgewandelt, und das in ungefähr gleichem Verhältnis wie der Abbaugrat des orga- nischen Materials. Da ein hoher mineralischer Stickstoffgehalt die Wiederverwendung der Gärreste erschwert (z.B. Ausbringen auf mit Stickstoff überladene Landwirtschaftsflächen), kann ein Auf- bereitungsverfahren sinnvoll sein. In der vorliegenden Studie wird ein Aufbereitungsverfahren un- tersucht, das Stickstoff in einem Biofilmreaktor mit mobilem Trä- germaterial aus Gärresten entfernt. Die verwendeten Gärreste stammen aus einer landwirtschaftlichen Biogasanlage und wurden mittels Schneckenpresse konzentriert. Die Umwandlung des Am- moniums und die Stickstoffbeseitigung finden im selben kontinu- ierlich belüfteten aeroben Reaktor statt. Bei einer Aufenthaltszeit von vier Tagen konnten dabei mehr als 90% des Ammoniums umgewandelt und 85% davon entfernt wer- den, ohne die Gärreste vorzubereiten oder eine Kohlenstoffquel- le hinzuzufügen. Die biologischen Reaktionen hängen allerdings stark vom Sauerstoffgehalt ab, der im Reaktor wegen den Sauer- stofftransfereigenschaften der Flüssigkeit ungenügend war. Dies erschwerte die gleichzeitige Aufrechterhaltung der Nitrifikation und der Denitrifikation. Photo: Installation de méthanisation agricole de Puidoux (VD) >

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Diminuer l'azote Dansles DiGestats

La réutilisation des digestats peut nécessiter un traitement préalable pour améliorer sa qualité ou gérer un surplus de nutriments. Des filières de traitement biologiques sont utilisées couramment en stations d'épuration ou en industrie, mais elles sont généralement trop chères et trop comple-xes pour les installations agricoles et industrielles de petite ou moyenne taille. D'où la nécessité de développer une méthode adaptée.

Toine Bakx, Sébastien Roches, Yves Membrez, Erep SAChristof Holliger, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, LBEMartin Baggenstos, Aurélie Chappaz, Wabag

m É t H o D e D e t r a i t e m e n t B i o lo G i Q u e

32 | a rt i C l e aQua & Gas n o 2 | 2012

introDuCtion

Le digestat est la matière digérée sortant du procédé de métha-nisation. Les caractéristiques du digestat dépendent du type d’installation de méthanisation et des substrats digérés. De manière générale, on peut dire que la quantité d’azote dans le digestat est similaire à celle dans la biomasse introduite dans l’installation pour y être fermentée.La méthanisation provoque un changement de la distribution entre l’azote présent sous forme organique et l’azote présent sous forme d’ammonium, une de ses formes minérales. Lors de la digestion anaérobie (fermentation), l’azote organique, donc l’azote incorporé dans la masse organique est transformé en ammonium, l’azote minéral. Le quotient de transformation de l’azote est environ proportionnel au rendement de l’élimination de la matière organique.

motivationL’émission de composés azotés dans l’environnement est princi-palement due aux activités agricoles. Malgré la réglementation, certaines terres agricoles sont en excédent d’azote. Certaines régions sont plus touchées que d’autres (surtout concernant les nitrates dans les eaux souterraines) en raison de la forte concen-

stiCkstoffÜBersCHuss im GÄrGut

entfernunG DurCH BioloGisCHes verfaHrenWährend der Methanisierung wird der organische Stickstoff in mi-neralischen Stickstoff in Form von Ammonium umgewandelt, und das in ungefähr gleichem Verhältnis wie der Abbaugrat des orga-nischen Materials. Da ein hoher mineralischer Stickstoffgehalt die Wiederverwendung der Gärreste erschwert (z.B. Ausbringen auf mit Stickstoff überladene Landwirtschaftsflächen), kann ein Auf-bereitungsverfahren sinnvoll sein.In der vorliegenden Studie wird ein Aufbereitungsverfahren un-tersucht, das Stickstoff in einem Biofilmreaktor mit mobilem Trä-germaterial aus Gärresten entfernt. Die verwendeten Gärreste stammen aus einer landwirtschaftlichen Biogasanlage und wurden mittels Schneckenpresse konzentriert. Die Umwandlung des Am-moniums und die Stickstoffbeseitigung finden im selben kontinu-ierlich belüfteten aeroben Reaktor statt.Bei einer Aufenthaltszeit von vier Tagen konnten dabei mehr als 90% des Ammoniums umgewandelt und 85% davon entfernt wer-den, ohne die Gärreste vorzubereiten oder eine Kohlenstoffquel-le hinzuzufügen. Die biologischen Reaktionen hängen allerdings stark vom Sauerstoffgehalt ab, der im Reaktor wegen den Sauer-stofftransfereigenschaften der Flüssigkeit ungenügend war. Dies erschwerte die gleichzeitige Aufrechterhaltung der Nitrifikation und der Denitrifikation.

Photo: Installation de méthanisation agricole de Puidoux (VD)

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tration de bétail. La digestion des lisiers n’y change rien. Pour les installations de biogaz indus-trielles, telles que celles traitant des biodéchets ménagers, un retour aux sols agricoles des digestats permettrait de fermer le cycle d’azote. Ce retour n’est cependant pas toujours possible faute de capacité d’accueil des surfaces situées à proximité de l’installation. Plusieurs raisons peuvent motiver le trai-tement du digestat dans la perspective d’un retour au sol, parmi lesquelles [1]:– Réduction du volume à épandre;– Réduction des coûts de stockage et

d’épandage;– Préparation du digestat en vue de son

exportation hors des zones d’excès, par exemple dans le cas de manque de sur-face. Le but du traitement porte alors plutôt sur la réduction de la teneur en eau de sorte à limiter les coûts de trans-port;

– Élimination de la quantité de fertili-sants et en particulier des éléments azote, phosphore, et potassium (NPK, selon les formules chimiques de élé-ments) afin que le solde puisse être épandu à proximité de l’installation;

– Amélioration de la qualité du produit afin d’élargir les possibilités d’utilisa-tion comme engrais commercial.

Dans le cas d’une installation de bio-gaz de petite à moyenne taille (jusqu’à 20 000 t/ an), les techniques permettant de conserver et de concentrer l’azote, tels que la filtration membranaire et le strip-page, ne s’avèrent pas rentables. Elles le sont pour des capacités de traitement beaucoup plus importantes. Par contre, le traitement biologique pourrait être une al-ternative de traitement économique pour traiter les digestats des installations de biogaz agricoles ou industrielles de petite à moyenne taille.

etat Des DÉveloppementsDurant deux années, EREP SA et le Labo-ratoire de Biotechnologie Environnemen-tale de l’EPFL (LBE), à Lausanne, ont mené des recherches en laboratoire afin de déterminer si de nouvelles techniques de traitement biologique de l’azote fiables pourraient être applicables au lisier digé-ré. Parmi les expériences réalisées, l’une consiste à fixer un biofilm sur un support mobile, afin de savoir s’il est possible de réaliser une nitritation/nitrification aéro-bie et une dénitrification (probablement

anoxique) dans le même réacteur. Les résultats ont été positifs, avec un taux de 95% d’ammonium transformé dont 80% en azote gazeux. Le temps de séjour hydraulique (TRH) était alors de 2 jours alors que l’effluent testé était dilué et pré-sentait une concentration maximale de 1 g NH4-N/l [2].

O b j e c t i f sUn projet pilote a par la suite été défini pour déterminer si l’expérience menée au LBE sur un réacteur de laboratoire à biofilm sur support mobile à aération continue est applicable à l’échelle réelle sur les effluents de digesteurs provenant de la production de biogaz agricole ou in-dustriel, ou sur d’autres effluents à forte concentration en ammonium, tels que les lixiviats de décharges. L’étude a ainsi été prolongée sur une ins-tallation pilote de taille semi-réelle, inté-grée à une installation de biogaz agricole, afin d’évaluer la fiabilité, l’applicabilité et la rentabilité du concept en conditions réelles.

l'installation pilote

oriGine Du DiGestatLe digestat utilisé provient de l’installa-tion de méthanisation agricole de Pui-doux (VD), en opération depuis plus de 10 ans. Cette installation traite environ 4000 tonnes de substrats organiques par an, dont du fumier et du purin bovin, des matières stercoraires, des déchets de céréales, des marcs de café, des tontes de pelouse, des huiles alimentaires usa-gées et de la glycérine. Le digesteur d’un volume de 400 m3 est opéré à une tempé-rature de 40 °C. Le biogaz produit lors de la méthanisation alimente une unité de cogénération d’une puissance de 100 kW électrique. Une première étape consiste à séparer le digestat ainsi produit en une phase liquide et solide au moyen d’une presse à vis. La fraction liquide est ensuite stockée dans une cuve de stockage non brassée et non chauffée d’un volume de 700 m3, cou-verte de façon étanche aux gaz.

Fig. 2 L’installation à biofilm sur support mo- bile à échelle semi-réelle: (a) le conte-neur renfermant le dispositif de traite-ment et la cuve de stockage du digestat liquide (bulle); (b) le réacteur isolé à l’intérieur du conteneur; (c) le support mobile Fluopur®, couvert de biofilm

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Aufbereitungsanlage im halbrealen Massstab: (a) Container der Aufberei-tungsanlage neben dem Behälter zur Lagerung der flüssigen Gärreste; (b) isolierter Biofilmreaktor; (c) das mit Biofilm bezogene mobile Träger- material Fluopur®

a

b

c

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Dispositif De traitement De l'azoteL’installation a été aménagée dans un conteneur à côté de la cuve de stockage du digestat liquide (fig. 2a). Le réacteur est alimenté directement depuis la cuve de stockage au moyen d’une pompe à vis d’une capacité maximale de 180 l/h. Le débit vers le réacteur est contrôlé par un débitmètre. Le réacteur d’un volume net de 1500 litres est rempli d’un support mobile de type Fluorpur® (fig 2c), présen-tant une surface spécifique de 300 m2/m3. L’aération du réacteur est assurée par une soufflante à canal latéral d’une capacité maximale de 40 Nm3/h. La concentration en oxygène est mesurée par une sonde immergée dans le réacteur. Elle peut être réglée à une certaine valeur en variant le débit d’air au moyen d’un convertisseur de fréquence commandant la soufflante. Quatre aérateurs à membranes sont ré-partis au fond du réacteur.Des mesures automatisées de la tempéra-ture et du pH permettent de surveiller les conditions du procédé de traitement. L’ef-fluent traité est évacué du réacteur par un trop plein. Une grille empêche le support mobile de sortir du réacteur.

mÉtHoDeLe réacteur a été ensemencé avec 1000 litre de boues activées de la station d’épuration de Berne. Afin d’adapter la biomasse et de permettre la croissance bactérienne, le digestat a tout d’abord été introduit avec un temps de résidence

hydraulique de 10 jours et un facteur de dilution de 10. Les essais expérimentaux ont été exécu-tés en deux phases. La première, nommée phase de tests «à court terme», avait pour but de déterminer les performances du système en fonction de la charge d’ammo-nium introduite. Pour ce faire, la charge volumétrique journalière en ammonium (ou CVJ) a été augmentée progressive-ment (fig. 3): Dans un premier temps, l’augmentation de la charge était réalisée grâce à une diminution du facteur de dilu-tion (jours 20 à 48). Le digestat introduit dès le jour 49 est non-dilué et l’augmen-tation de la charge spécifique s’est faite par une réduction par paliers du temps de résidence hydraulique (TRH). La deuxième phase de tests, ou phase de tests «à long terme» consistait à conserver une charge en ammonium constante, avec un TRH de 4 jours. Durant cette phase, l’effet du débit d’aération et la stabilité du système ont été évalués. Alors que la tem-pérature dans le réacteur était maintenue à 30 °C.

rÉsultats

Le taux de matières sèches (MS) du diges-tat non-dilué était constant durant la période d’étude et variait entre 5 et 7%; le taux de matières sèches volatiles oscillait entre 60 et 80% du taux de MS. L’effluent du réacteur montrait des valeurs compa-rables pour le taux de matières sèches

et le taux de matières sèches volatiles. Certains appareils de mesure n’étaient pas adaptés à ces taux élevés de matières sèches. Particulièrement, deux types de sonde de mesure de la concentration en oxygène dissout (une analogique, l’autre optique) ont été testées et aucune n’a fourni de données fiables. Pour cette rai-son, le réglage de l’aération a été réalisé de manière manuelle dès le jour 121. De même, les diverses difficultés rencontrées avec les pH-mètres n’ont plus permis une mesure continue du pH à partir du jour 207. Un relevé ponctuel de ce paramètre a dès lors été réalisé manuellement une fois par semaine. Une correction du pH, en revanche, ne s’est pas avérée nécessaire, le système étant capable de le maintenir près de 8,5.

performanCe Du systèmeOn constate sur la figure 4 que la concen-tration en ammonium dans l’intrant est relativement stable depuis que le digestat n’est plus dilué. Le flux sortant du réacteur présente des teneurs en ammonium variant fortement. Ce phénomène est dû aux changements des conditions expérimentales, en parti-culiers du taux de dilution de l’intrant, du TRH et du débit d’aération. Toutefois, il paraît évident que l’ammonium a été dégradé avec un taux très élevé en de multiples occasions, comme l’indique la concentration à la sortie qui est descen-due plusieurs fois en dessous de la limite de détection. Dans l’intrant, la concentration en azote total est comprise entre 2 et 3 g/l, quand le digestat n’est pas diluté. La teneur en azote total de l’effluent évolue en fonction des taux de nitrification et de dénitrification.

aÉration et staBilitÉComme décrit plus tôt, la mesure d’oxy-gène étant peu fiable, le débit d’aération a été réglé manuellement à partir du jour 121. Il semble, de plus, que le transfert d’oxygène, pouvait parfois être fortement réduit et que la nature du digestat (forte viscosité, teneur en matière sèche et sali-nité) soit responsable du mauvais trans-fert d’oxygène. Or ce dernier paramètre est un facteur primordial pour le bon fonctionnement des transformations bio-logiques aérobies. La figure 5 présente le taux de transfor-mation de l’azote total ainsi que de l’azote minéral, dans lequel sont compris l’am-monium, les nitrates et les nitrites.

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Fig. 3 Programme des test réalisés , d’une part, pour déterminer les performances d’élimination de l’azote (phase «court terme») et, d’autre part, pour régler l’aération et vérifier la stabilité (phase «long terme»)

Testprogramm zur Bestimmung der Aufbereitungsleistung (Phase «court terme»), zur Einstellung der Belüf-tungsparameter und zum Prüfen der Verfahrensstabilität (Phase «long terme»)

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On constate qu’une aération inadaptée ou un TRH court défavorisent le rendement simultané de la nitrification et de la déni-trification. L’azote minéral n’est alors que très faiblement dégradé. Ainsi, lorsque l’oxygène est limité, la nitrification est incomplète et une quantité significative d’ammonium se retrouve dans l’effluent. Ceci explique que, même si le taux de dénitrification est très élevé, une partie de l’azote minéral reste dans la phase liquide.Les meilleurs résultats ont été obtenus avec un TRH de 4 jours. Le taux de nitri-fication oscille alors entre 80 et 95% et le taux de dénitrification entre 60 et 90%. À un TRH de 2 jours, en revanche, le sys-tème n’est pas stable et le taux de nitrifi-cation est inférieur à 40 %.

Il semple difficile d’ajuster un débit d’aé-ration optimal qui satisfasse simultané-ment aux conditions de la nitrification et de la dénitrification. Une aération trop faible nuit à la nitrification, tandis que, inversement, trop d’oxygène entrave la dénitrification. La valeur optimale inter-médiaire se situe près de 1 Nm³ d’air par mg NH4-N introduit par litre de réacteur dans notre cas.

rentaBilitÉ

Pour estimer la rentabilité d’un tel concept, les résultats des essais ont été utilisé pour dimensionner une installa-tion de traitement du digestat de taille réelle, comparable à une unité de produc-tion de biogaz agricole, telle que celle de Puidoux. Comme dans l'installation pi-lote, la phase liquide du digestat est sépa-rée de la phase solide par une presse à vis et le dispositif de traitement du digestat liquide est installé directement en aval du séparateur. Enfin, le liquide du digestat présente les caractéristiques suivantes:− flux journalier maximal: 10 m³/j− taux de matières sèches: 5 –7 %− teneur moyenne en azote ammoniacal

de 1,3 g/l− teneur moyenne en DCO (carbone orga-

nique dissout) de 16 g/l

CoûtsA partir de ces données, un volume de 40 m³ est calculé pour le réacteur en taille réelle, ainsi qu’un débit d’aération maxi-mum de 600 Nm³/h. Pour une telle ins-tallation, les coûts de traitement, compre-nant l’amortissement de la construction et les frais d’utilisation, reviendraient à

une fourchette de CHF 12.– à 20.– par m3 d’effluent traité, ce qui est relativement bon marché comparé à des systèmes de traitement biologique traditionnels. Selon la bibliographie [1], les coûts de tels sys-tèmes se situent entre CHF 17.– et 26.– par m3 pour une installation de même taille, construite selon la technique clas-sique de traitement biologique des eaux

usées (bassin de nitrification, bassin de dénitrification, phase de décantation).

Consommation ÉnerGÉtiQueDu point de vue de la consommation énergétique de l’installation, laquelle procède principalement de l’aération du réacteur, elle a été évaluée à 18.9 kWh par m³, conformément aux données de

Fig. 4 Évolution des concentrations en azote ammoniacal et en azote total Konzentrationsverlauf von totalem und Ammonium-Stickstoff

Fig. 5 Évolution des taux de transformation de l’azote minéral (NH4) et de l’azote total Umwandlungsraten des mineralischen (NH4) und totalen Stickstoff

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la littérature [1], comprises entre 12 et 30 kWh/m³. Celles-ci se réfèrent, toute-fois, au traitement du lisier de porc qui est plus concentré en ammonium que les digestats traités dans l’installation pilote.

analyseUn taux de matières sèches élevé est désavantageux au bon fonctionnement du système. Une centrifugation préalable du digestat permettrait d’y remédier mais engendre des coûts incompatibles avec les impératifs d’une installation agri-cole. En effet, dans le secteur agricole, la priorité est de disposer d’une installation de traitement simple, robuste et écono-mique, et non de majorer, ni de stabiliser les rendements à perfection. Dans le cas précis, on peut même envisa-ger d’appliquer ce système de traitement par voie biologique à une partie seule-ment du digestat, si l’élimination totale de l’azote n’est pas souhaitée.Dans le domaine industriel, en revanche, on visera plutôt des procédés performants et des rendements constants, ce qui peut justifier des traitements plus complexes et plus chers, tels que:– le prétraitement de l’intrant par filtra-

tion, centrifugation ou dilution permet-tant de réduire les désavantages causés par la présence de matière solide et faciliter, notamment, le transfert d’oxy-gène;

– l’ajout d’une source de carbone pour améliorer le rendement de la dénitrifi-cation

– l’utilisation d’appareils de mesures fiables et précis (oxygène dissout, pH, …)

pour assurer des conditions opération-nelles stables.

ConClusions

Au regard de la recherche pilote, il appa-raît que la technique utilisée est efficace et que le processus est relativement stable. De construction simple, l’instal-lation ne nécessite ni prétraitement de l’intrant, ni ajout de source de carbone externe, ni correcteur de pH. Le procédé de traitement biologique est ainsi concen-tré dans un seul réacteur; le seul prétrai-tement est constitué par une presse à vis.

La présente étude proposait de tester ce processus à l’échelle pilote, afin d’évaluer le transfert de la technique à l’échelle réelle et de déterminer les paramètres opérationnels. Les résultats obtenus sur l’installation pilote peuvent être résumés de la manière suivante:− Il est possible d’obtenir des taux de

nitrification et de dénitrification élevés sans prétraiter le digestat, ni ajouter de source de carbone

− Les réactions biochimiques sont extrê-mement sensibles au taux d’oxygéna-tion, qui lui-même dépend des carac-téristiques du liquide dans le réacteur, telles que le taux de matière sèche. Il est par conséquent délicat d’assurer le déroulement simultané de la nitrifica-tion et de la dénitrification.

− Un temps de résidence hydraulique minimum de 4 jours permet de trans-former plus de 90% de l’ammonium et d’en éliminer 85%

paramètres opÉrationnels et CoûtsLe fonctionnement de ce procédé bio-logique, précédemment démontré en laboratoire, a ainsi pu être validé sur une installation à échelle semi-réelle. De plus, le présent travail permet d’estimer les paramètres opérationnels (TRH, débit d’aération …) et de fournir des bases pour le dimensionnement d’une installation de taille réelle, pour autant que l’on fixe précisément les objectifs concernant les taux de nitrification et d’élimination de l’azote. Ainsi une installation en taille réelle traitant 10 m³ de digestat liquide par jour comporterait un volume de réac-teur de 40 m³. Les coûts de traitement (au m³) d’une telle installation sont relative-ment bon marché en comparaison avec des systèmes classiques de traitement biologique. Enfin, la consommation éner-

gétique estimée est conforme aux don-nées de la littérature sur les installations de traitement de lisier de porc.

perspeCtivesToutefois, dans la perspective d’une pro-chaine réalisation certains aspects tech-niques méritent une optimisation, il s’agit notamment du type d’aération (particuliè-rement l’influence d’une aération alter-née), de la mesure de l’oxygène dissout et du support mobile, ce qui permettrait d’améliorer encore les performances et la stabilité. Le procédé d’élimination de l’azote, testé ici sur une installation agricole, paraît parfaitement transférable à d’autres types d’effluents chargés en ammonium. Par exemple, les déchets ménagers pré-sentent de grands problèmes relatifs à l’ammoniac et une étude ultérieure pour-rait permettre de démontrer l’efficacité du processus sur de tels déchets.

remerCiementsCe travail a été réalisé grâce au soutien financier de la société AXPO (Naturstrom Fonds), de l’Office Fédéral de l’Environne-ment et de l’Office Fédéral de l’Énergie.

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Die Vorteile dieser einfachen Anlage sind, dass sie weder Vorbehandlung des Inputs noch Hinzufügen einer externen Kohlenstoff-quelle oder eines pH-Korrektors verlangt.Ausserdem findet die gesamte biologische Aufbereitung in einem einzigen kontinuier-lich belüfteten Reaktor statt.Aus den Ergebnissen lassen sich folgende Schlüsse ziehen: Für die Aufbereitung von 10 m³ Gärresten pro Tag braucht es eine Anlage mit 40 m³ Reaktorvolumen. Dessen Aufbereitungskosten würden im Bereich von 12 bis 20 CHF pro m³ aufbereiteter Flüs-siggärreste liegen, was im Vergleich zu den klassischen biologischen Aufbereitungsver-fahren kostengünstig ist.

fortsetzunG Der zusammenfassunG

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