@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} } @phdthesis{Forbid2012, author = {Forbid, George Teke}, title = {Thermal recycling of plastic waste using pyrolysis-gasification process for energy production}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25269}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2012}, abstract = {The disposal of mixed waste in landfills, dump sites and open burning without material and energy recovery leads to resource loss, causes health problems, pollution and littering. Increasing energy demand for industrial and domestic application with rising costs due to scarcity motivates a constant search for alternative clean energy sources. Recovering energy from waste presents various incentives e.g. creating jobs, alleviating poverty, combating and mitigating climate change, protecting the environment and reducing dependence on traditional fuels sources. Hence, plastics end up in landfills, surface waters and ocean bed with serious negative impact on terrestrial and aquatic biodiversity. Plastic waste with high calorific value (36-46MJ/kg) occupies the greatest portion of landfill space. Hence, using an appropriate technology to transform waste plastic to a hot gaseous mixture which is burned in-situ produces enormous amount of energy without pollution. Based on this hypothesis, the study objectives accomplished were to: 1.Characterise, quantify and classify waste fractions and plastic components common in MSW by manual sorting 2.Evaluate options for sustainable plastic waste management especially for developing countries 3.Design, construct, test and optimize an appropriate technology that applies pyrolysis and gasification processes to convert non-PVC plastic waste to energy 4.Assess the efficiency of the technology based on the functioning, the engineering, mass and energy analysis including socioeconomic and environmental impacts An integrated methodology involving review of current literature, field and laboratory experiments on mixed waste and plastic waste analysis was used. In addition, the pyrolysis-gasification technology (PGT) was conceptualised, designed, constructed, tested and optimised at BTU Cottbus, Germany; Lagos, Nigeria and Dschang, Cameroon. Field studies involving natural observation, interviews, personal discussions and visits to waste management organisations and disposal sites were conducted in various cities in the three case study countries. A resource-oriented manual sorting using the resource-recovery scavenging approach (RESA) simulating integration of scavenger's activities in waste sorting was conducted at BTU and Lagos. Major results obtained include: •Characterization, quantification and classification of a dry sample of commingled MSW at Cottbus gave major waste fractions in order of decreasing abundance as 23.15\% of residue waste, 19.75\% of paper and cardboards, 17.80\% of plastics, 14.63\% of textiles and diapers, 10.06\% of food waste and 9.55\% of glass. An overall 33.21\% of waste sample is compostable for manure, 52.2\% usable as feedstock in the PG technology and 99.81\% of total sample having a material or energy recovery potential. In Lagos, Nigeria main fractions were 29\% of plastics, 36\% of residue waste, 17\% of soil/sand, 7\% of paper with overall 41\% usable as feedstock in PG technology, 39\% compostable, 3\% of recyclable (metal and glass). Sand can be recovered from the soil/sand fraction for construction. Excluding the sand/soil mixture, 83\% of the total waste sample has potential for material and energy value. •An appropriate technology that applies principles of pyrolysis and gasification to convert non-PVC plastic waste to energy was designed, constructed, tested and optimized with respect to: (i) Successful functioning with conversion of averagely 98.51\% of input constituting of 82.78-98.21\% of charcoal and 96.72-99.27\% of plastic to heat energy (ii) Evaluation of socioeconomic and environmental impacts based on pyrolysis and exhaust gas and ash residue analysis showed absence of VOCs, heavy metals and pollutant organic and inorganic compounds; (iii) Safety and risk assessment to indoor pollution is very low; (iv) Assessment of the WTA and WTP indicated that 94\% of respondents in Lagos, Nigeria and Porto Novo, Benin were willing to accept and pay for this technology. Using the PG technology improves local communities' ability to achieve clean, efficient and safe cooking and heating energy with potential for combine heat power generation.}, subject = {Kunststoffabfall; Vergasung; Pyrolyse; Forstschutz; Energier{\"u}ckgewinnung; Pyrolyse-Vergasung Technologie; Kunststoffabfall; Eind{\"a}mmung des Klimawandels; Ressource-Recovery-Scavenging-Ansatz; Waldschutz; Pyrolysis-gasification technology; Waste plastics and biomass; Climate change mitigation; Resource recovery scavenging approach; Forest protection}, language = {en} } @phdthesis{Sieber2012, author = {Sieber, Marko}, title = {Grundlegende Untersuchungen zu einem neuentwickelten zweistufigen Trocken-Nass-Verg{\"a}rungsverfahren}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-26918}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2012}, abstract = {Am Lehrstuhl Abfallwirtschaft wurde ein zweistufiges Trocken-Nass-Verg{\"a}rungsverfahren zur Verg{\"a}rung sch{\"u}ttf{\"a}higer Abfall- und Reststoffe entwickelt. Das Verfahren wurde unter dem Aktenzeichen PTC/DE2005/001990 patentiert. Nach einer intensiven Recherche und Klassifizierung der bestehenden Verfahren zur Verg{\"a}rung von Abf{\"a}llen wird eine Defizitanalyse erstellt. Danach werden die Entwicklungsschritte bei der Verfahrensentwicklung erl{\"a}utert. Das neuentwickelte Verfahren besteht aus einer Hydrolyse, die im Perkolationsverfahren durchgef{\"u}hrt wird. Dabei wird das Perkolat mehrfach zur Perkolation genutzt, so dass sich die Hydrolyseprodukte darin anreichern. Ein Teil der Perkolationsfl{\"u}ssigkeit wird ausgeschleust. Das darin enthaltene Energiepotential der organischen Stoffe wird in einem separaten Methanreaktor nahezu hundertprozentig genutzt. Die somit gereinigte Fl{\"u}ssigkeit wird in die Perkolation zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. Die durchgef{\"u}hrten Versuche beziehen sich ausschließlich auf die erste Verfahrensstufe, die Hydrolyse. Nach Batchversuchen zur Erforschung des Einflusses des Fl{\"u}ssigkeits-Feststoffverh{\"a}ltnisses in der Hydrolyse wurden quasikontinuierliche Versuche durchgef{\"u}hrt. Dabei wurden Untersuchungen zum R{\"u}cklaufverh{\"a}ltnis, zur Fl{\"u}ssigkeitsstromf{\"u}hrung, zum pH-Wert und zum Salzgehalt der Fl{\"u}ssigkeit durchgef{\"u}hrt. F{\"u}r alle Versuche wurde als Modellsubstrat Maissilage eingesetzt. Es wurden Bilanzen in Bezug auf den CSB, den Anteil FOS und die in der Fl{\"u}ssigkeit gel{\"o}sten feinpartikul{\"a}ren Stoffe aufgestellt. Zun{\"a}chst erfolgten Batchversuche in denen festgestellt wurde, dass die Hydrolyse sehr stark von der Konzentration der Hydrolyseprodukte abh{\"a}ngt, so dass von einer Produktinhibitation der Enzyme ausgegangen werden muss. Ein Grenzwert der Hemmung konnte dabei nicht festgestellt werden. Vielmehr ergab sich eine logarithmische Abh{\"a}ngigkeit von Produktkonzentration und Substratabbaugrad in der Hydrolyse. Weiterhin wurde erkannt, dass die Produktinhibitation teilweise, wenn auch nicht vollst{\"a}ndig, reversibel ist. Mit den Erkenntnissen der Batchversuche wurden die pseudokontinuierlichen Versuche geplant und durchgef{\"u}hrt. In den Parallelversuchen, in denen der Hydrolysereaktor die gesamte Zeit mit eigenem Hydrolysat und Methanreaktorablauffl{\"u}ssigkeit perkoliert wurde, konnten die Erkenntnisse der Batchversuche im Grundsatz best{\"a}tigt werden. Der Energieaustrag durch das Hydrolysat (gemessen als CSB-Ausbeute) ist stark abh{\"a}ngig vom R{\"u}cklaufverh{\"a}ltnis. Weiterhin haben die Durchstr{\"o}mung des Perkolationsfestbettes und der pH-Wert einen starken Einfluss auf die Hydrolysevorg{\"a}nge. Als optimaler pH-Wert wurde ein Bereich von 6…7 bestimmt. In anschließenden Reihenversuchen wurde erforscht, wie sich die Fl{\"u}ssigkeitsstromf{\"u}hrung beim Betrieb von mehreren Perkolatoren auswirkt. Dabei wurde festgestellt, dass sich die Gleichstromf{\"u}hrung negativ, die Gegenstromf{\"u}hrung hingegen positiv auf die Hydrolyse auswirken. In den abschließenden {\"o}konomischen Betrachtungen wurde herausgearbeitet, dass das Verfahren f{\"u}r Abf{\"a}lle sehr gut, f{\"u}r nachwachsende Rohstoffe hingegen nur bedingt geeignet ist. Die Gasausbeute ist der entscheidende Faktor bei der Wirtschaftlichkeit von NaWaRo-Anlagen. Da das beschriebene Verfahren zwar sehr robust, biologisch stabil und vielseitig einsetzbar ist, jedoch nicht immer die maximal m{\"o}gliche Biogasausbeute erreicht, wird der Einsatzfall eher im Abfallbereich angesiedelt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich das zweistufige Trocken-Nass-Verg{\"a}rungsverfahren sehr gut zur Verg{\"a}rung von Abf{\"a}llen eignet. Die untersuchten Randbedingungen sollten bei der Auslegung von Anlagen ber{\"u}cksichtigt werden, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu gew{\"a}hrleisten.}, subject = {Organischer Abfall; Verg{\"a}rung; Biogas; Biogas; Hydrolyse; Verfahrensentwicklung; Maissilage; Biogas; Hydrolysis; Process development; Maize silage}, language = {de} }