Greenhouse Gas Emissions from Composting and Anaerobic Digestion Plants

Abstract

Almost all biowaste collected in Germany is treated either by composting or by anaerobic digestion (AD). Both treatments result in greenhouse gas emissions. The main focus of the thesis was to quantify the contribution of composting and anaerobic digestion plants to global warming. Data collection and measurements were performed at 9 composting plants and 9 AD plants treating biowaste. In the thesis, GHG emission factors were calculated in g per Mg fresh waste.<br /> GHG emissions from composting plants were measured by using a tunnel method, which used a plastic tunnel covering a complete part of a windrow. The tunnel was ventiled by 2 vetilators. The concentration differences of GHG between incoming and outgoing air were used to calculate the emission from the waste under the tunnel. In average, composting resulted in 4060g (Mg biowaste)^-1 CH₄ emissions, 55g (Mg biowaste)^-1 N₂O emissions and 157g (Mg biowaste)^-1 NH₃ emissions, giving a total emission factor of 118kg CO₂ equivalents (Mg biowaste)^-1. <br /> The emission sources at the AD consisted of biofilters, combined heat and power units (CHP), liquid digestate treatment systems (LTS) and open composting windrows of the solid digestate. In average, the biofilters removed 30% of total organic carbon (TOC), 50% of non methane volatile organic carbon (NMVOC) and 51% NH₃, whereas N₂O concentrations increased by 26%. For CH₄ the biofilters had only a small removal effect (6%). Overall, the emission factors were reported as 1.2-16kg (Mg biowaste)^-1 for CH₄, 9-172g (Mg biowaste)^-1 for N₂O and 41-6,031g (Mg biowaste)^-1 for NH₃, giving total emission factors from 50 to 457 kg CO₂ equivalents (Mg biowaste)^-1. The post-treatment of solid digestate resulted in highest GHG emissions. <br /> In order to reduce GHG emissions from composting windrows, small windrows with high turning frequencies and a short composting duration would result in the lowest emissions. For anaerobic digestion plants, potentially there are great GHG emissions benefits if biowaste is treated by wet anaerobic digestion. Wet digestion results in liquid digestate only, which should be directly applied without being composted.

<strong>Treibhausgas-Emissionen aus Kompostierungsanlagen und Vergärungsanlagen</strong><br /> Fast alle gesammelten Bioabfälle werden in Deutschland entweder durch Kompostierung oder durch Vergärung behandelt. Bei der Behandlung entstehen Treibhausgase (THG) wie Methan und Lachgas. Ziel der Arbeit war es, diese Emissionen zu quantifizieren. <br /> Messungen erfolgten an 9 Kompostierungsanlagen (KoA) und 9 Vergärungsanlagen (VA). THG-Emissionen von KoA wurden mit Hilfe einer Tunnel-Methode, bei der ein kompletter Teil einer Miete mit einem Kunststoff-Tunnel abgedeckt wurde, gemessen. Der Tunnel wurde mit Hilfe von zwei Ventilatoren belüftet. Die Konzentrationsdifferenzen der Treibhausgase zwischen Zu- und Abluft wurden genutzt, um die Emission der Abfälle unter dem Tunnel zu bestimmen. Im Mittel führte die Kompostierung zu 4.060g (Mg Bioabfälle)^-1 CH₄ Emissionen, 55g (Mg Bioabfälle)^-1 N₂O Emissionen und 157g (Mg Bioabfälle)^-1 NH₃ Emissionen. Daraus ergibt sich ein Emissionsfaktor von 118kg CO₂ -Äquivalenten (Mg Bioabfälle)^-1. <br /> Die Emissionsquellen an VA waren der Biofilter, das Blockheizkraftwerk (BHKW), die flüssigen Gärrest-Behandlungssysteme und die offenen Kompostmieten der festen Gärreste. Im Durchschnitt reduzierten die Biofilter den gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) um 30%, bzw um 50% des Non-Methane Voltile Organic Carbon (NMVOC). CH₄ wurde am Biofilter nur sehr wenig abgebaut (6%), dagegen reduzierte sich die NH₃-Fracht um 51%. Die N₂O Emissionen wurden um 26% erhöht. Insgesamt wurden 1.2-16kg CH₄ (Mg Bioabfälle)-1, 9-172g N₂O (Mg Bioabfälle)^-1 und 41-6.031g NH₃ (Mg Bioabfälle)^-1 emittiert. Daraus ergibt sich ein Emissionsfaktor von 50 bis 457 kg CO₂ -Äquivalenten (Mg Bioabfälle)^-1. Die höchsten Emissionen wurden in der Nachbehandlung der festen Gärreste freigesetzt. <br /> In der Kompostierung können die Emissionen durch kleine Mieten, öfteres Umsetzen und eine kürzere Behandlungsdauer reduziert werden. Die geringsten Emissionen an THG sind von der Nassvergärung ohne Separierung zu erwarten. Die Nachbehandlung von Gärresten führt zu hohen Treibhausgas-Emissionen. Deshalb sollte Gärrest ohne vorherige Kompostierung direkt angewendet werden.