@phdthesis{Burkhardt2012, author = {Burkhardt, Marko}, title = {Die Leistungsf{\"a}higkeit anaerober Rieselbettreaktoren zur Methanisierung fl{\"u}ssiger und gasf{\"o}rmiger organischer Verbindungen durch biofilmgebundene methanogene Archaeen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25249}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2012}, abstract = {Die Anwendung anaerober Biofilme zur Umsetzung organischer Substrate zu Biogas bietet viele Vorteile. Durch die Immobilisierung methanogener Archaeen im System k{\"o}nnen kurze Verweilzeiten unter hohen Raumbeladungen in sogenannten Hochleistungsfestbettreaktoren erm{\"o}glicht werden. Mittlerweile finden sie recht erfolgreich im Rahmen verschiedener, meist zweistufiger Verfahren, eine Anwendung in der Praxis. Das Prinzip eines Rieselbettreaktors als Methanstufe ist bislang unbekannt. Es konnte gezeigt werden, dass sich der vorgeschlagene und patentierte Aufbau eines Rieselbettreaktors im Rahmen eines zweistufigen Verfahrens zur Methanisierung fl{\"u}ssiger und gasf{\"o}rmiger organischer Substrate eignet. Der direkte Vergleich zwischen einem klassischen {\"u}berstauten Festbettreaktor und dem Rieselbettreaktor zeigte, dass sich beide Prinzipien f{\"u}r die Umsetzung von Essigs{\"a}ure aber auch von Praxissubstraten (Maishydrolysat) eignet. Die pH-Werte im Ablauf lagen {\"u}ber 7,0, die Methankonzentration im Biogas ist jeweils {\"u}ber 70 Vol\%. Bis zu den hohen Raumbeladungen von bR=10-12 kgCSB/(m³FB•d) wurde der theoretische Wert der spezifischen Methanproduktion von P=3-4 Nm³CH4/(m³FB•d) erreicht. Im eingefahrenen und kontinuierlichen Betrieb lag der Methanertrag YoTR,∑ im Rieselbettreaktor zwischen 231-275 NlCH4/kgoTR und im {\"u}berstauten Festbettreaktor zwischen 246-270 NlCH4/kgoTR. Dem theoretischen Wert von 293 NlCH4/kgoTR wird nahe gekommen. Beide Systeme sind daher sehr gut vergleichbar. Die Zugabe und die Unterbrechung des Substrates die Steuerung der Methanbildung mit einer Reaktionszeit von 3,4-5 Stunden. Der Rieselbettreaktor zeigte ein schnelleres Ansprechverhalten der Methanbildung nach erneuter Substratzugabe aufgrund der Rezirkulation durch das gesamte Festbett. In Hinblick auf den Flexibilit{\"a}tsbonus im Rahmen der aktuellen Novelle des EEG 2012 wird das Kriterium der Reaktion auf den st{\"u}ndlichen Energiebedarf erf{\"u}llt. Im Rieselbettreaktor konnte die Abh{\"a}ngigkeit des Stoffumsatzes von der Raumbeladung bR, der Rezirkulation RV, der Rieselzeit Rt, dem Prozesswasservolumen Vfl bzw. der hydraulischen Verweilzeit Ʈfl nachgewiesen werden. Ʈfl ist dabei entkoppelt von der Kontaktzeit am Biofilm, dem Ort des Stoffumsatzes. In Hinblick auf einen hohen CSB Abbau konnte insbesondere der direkte Zusammenhang zur Rezirkulation ermittelt werden. Zudem zeigte die differenzierte Betrachtung des Rieselverhaltens, dass aufgrund der Ausbildung eines d{\"u}nneren Rieselfilmes bei einer geringen Rieselzahl R ein h{\"o}herer Stofftransport in den Biofilm und letztlich ein h{\"o}herer CSB-Abbau pro Verrieselung stattfand. Der maximale absolute CSB Abbau lag bei einer Raumbeladung von bR=19 m³/(m³FB•d). Diese Abh{\"a}ngigkeiten wurden durch die Kontaktzeit Ct des Substrates mit dem Biofilm zusammengefasst, sodass das ƞCSB-Ct-bR Diagramm dargestellt werden konnte. Mit Hilfe von Ct wurde ein Modell erstellt, wobei die Umsatzrate k und der Korrekturfaktor k* empirisch ermittelt wurden. Als gasf{\"o}rmige Substrate wurden erfolgreich Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid methanisiert. Unter Kreislauff{\"u}hrung des Gasstromes im batch-Betrieb erfolgte ein bis zu 98 \%-iger Wasserstoffumsatz. Der Methangehalt betrug maximal 97,7 \%. Die Raumbeladung lag maximal bei bR=4,43 Nm³H2/(m³FB•d), wobei eine spezifische Methanproduktivit{\"a}t von 1,17 Nm³CH4/(m³FB•d) erreicht wurde. Im Ausblick f{\"u}hrt der kontinuierliche Betrieb zu einem vollst{\"a}ndigen Umsatz bei einer 100\%igen Methankonzentration. Damit konnte erstmals Wasserstoff (beispielsweise elektrolytisch erzeugt) und Kohlenstoffdioxid unter moderaten Temperatur- und Druckbedingungen methanisiert werden. Es liegt ein Energietr{\"a}ger vor, der sehr gut in klassischen Speichern (Erdgasnetz) ohne aufwendige Aufreinigung eingespeist werden kann. Die Inbetriebnahme und der Betrieb sowohl des {\"u}berstauten Festbettreaktors als auch des Rieselbettreaktors erm{\"o}glichte die Beobachtung der Biofilmentwicklung. Dabei wurde eine vergleichbare Biofilmausbildung festgestellt. Im Rieselbettreaktor erfolgte ein erh{\"o}hter Biomasser{\"u}ckhalt, vermutlich aufgrund einer ungleichen Str{\"o}mungsverteilung. Nach 239 Versuchstagen konnte ein vergleichbarer Biomasseanteil f{\"u}r beide Reaktorprinzipien von 14 gFM/FK (35 goTR/m²FKAO) bei einer mittleren Biofilmdicke von 600 µm bestimmt werden. Der Biomasseertrag YoTR/CSB entspricht mit 0,016-0,020 goTR/gCSB in beiden Reaktoren den Literaturwerten von 0,01-0,06 goTR/gCSB. Unter Betrachtung der Str{\"o}mungsverh{\"a}ltnisse der Fl{\"u}ssigkeitsschicht am Biofilm, der Konzentrationsgrenzschicht, des Stoff{\"u}berganges und des Stoffabbaus konnte eine Umsatzlimitierung festgestellt werden. Im Rieselbettreaktor lag eine Reaktionslimitierung bis zu einer mittleren Biofilmdicke von 174 µm vor. Bei einer h{\"o}heren Biofilmdicke erfolgte eine Diffusionslimitierung. Die Bestimmung der methanogenen Archaeen im Rieselbettreaktor zeigte, dass sowohl beim fl{\"u}ssigen als auch gasf{\"o}rmigen Substrat der hydrogenotrophe und der acetoklastische Stoffwechsel parallel erfolgte.}, subject = {Biogas; Wasserstoff; Rieselreaktor; Biofilm; Methan; Biogas; Wasserstoff; Rieselbett; Biofilm; Methan; Biogas; Hydrogen; Tickle bed; Biofilm; Methane}, language = {de} }