TY - THES A1 - Lu, Yanjuan T1 - Optimization of converting food waste to hydrogen and Biogas in double-stage-fermentation T1 - Optimierung der Gewinnung von Wasserstoff und Biogas aus Lebensmittelabfällen mit Hilfe der zweistufigen Vergärung N2 - Aim of this study The aim of this research is to develop batch scale and continuous reactor systems to evaluate technical and practical feasibility of sequential hydrogen and methane from food waste by two step dark fermentation process. Methodology The effects of limiting factors, like pH, temperature, as well as inoculum sources and pretreatment methods on H₂ yields were studies in batch assays. In addition, the feasibility of sequencing producing H₂+CH₄ via two stage dark fermentation process was evaluated in lab-scale tests based on batch assay results. Three kinds of Acid producing reactor, like CSTR, semi-percolator, and ASBR had been tested for bioH₂ production and well inoculated ASBR methane was used for further degradation of volatile organic acids produced in these acid producing reactor which acts as by-products of bioH₂. Different limiting factors on fermentation process have been investigated in each reactor type for optimum energy recovery. Monodigestion of food waste for methane production was also studied and used as reference value for energy recovery from food waste. Main results and technical application from this study Hydrogen production results from food waste were shown to be possible with aerated inoculum in batch assays in thermophilic range, with highest H₂ yields of 19.72L/(kg oTS) from food waste. The inoculated HPB (Hydrogen producing bacterial) sludge taken from ASBR acid producing reactor was proved the optimum H₂ yields with the value of 61.41 L/(kg oTS) in this batch test. Inoculum to substrates ratio at 3 was found the best situ for H₂ yields in batch test. Even H₂ productivity at hyperthermophilic range has been confirmed with faster and higher performance, thermophilic fermentation process was taken in continuously lab-scale investigation due to too high process requirements in hyperthermophilic process. Two-stage sequencing producing H₂+CH₄ was shown the potential in H₂ yields in the first acid producing phase. Methane yields from monodigestion in ASBR methane reactor with OLR of 3.88 kg oTS/(m3.d) and average CH₄ yields at 312.71L/kg oTS were achieved and act as reference value for total energy recovery. In CSTR+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 69.15 L/(kg oTS) and CH₄ yields at 291.77. L/(kg oTS) were achieved; In semi-Percolator+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 77.34 L/kg oTS and average CH₄ yields at 293.87 L/(kg oTS) were achieved; In ASBR+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 196.85L/(kg oTS) and average CH₄ yields at 293.87 L/(kg oTS) were achieved. The max. H₂ concentration in hydrolysis gas was got in ASBR acid producing reactor at 54%. The experimental results indicated that food wastes can be considered as suitable substrates for BioH₂ and CH₄ sequencing production. Moreover, the less production cost for H₂ due to higher OLR and shorting HRT. N2 - Ziel der Studie Das Ziel dieser Studie besteht darin, einen Batch-Scale und kontinuierliche Reaktorsysteme zu entwickeln, um die technische und praktische Durchführbarkeit von sequentiellem H₂ und CH₄ aus Lebensmittelabfällen durch einen zweistufigen Vergärungsprozess zu bewerten. Die Methodologie Die Auswirkungen begrenzender Faktoren wie pH-Wert, Temperatur, Inokulum und Vorbehandlungsmethoden auf die H₂-Ausbeuten wurden in Batch-Assays untersucht. Zudem wurde die Durchführbarkeit der sequentiellen H₂ + CH₄, bei einem zweistufigen Vergärungsprozess hergestellt und in Labortests auf der Basis von Batch-Assay-Ergebnissen bewertet. Drei Arten von Säure produzierenden Reaktoren, wie CSTR, Semi-Perkulator und ASBR, wurden auf BioH₂ Produktion getestet und gut inokuliertes ASBR-Methan für den weiteren Abbau von flüchtigen organischen Säuren verwendet, die in diesem Säure produzierenden Reaktor erzeugt werden und als Nebenprodukte von bioH₂ wirken. Verschiedene limitierende Faktoren im Fermentationsprozess wurden in jedem Reaktor auf eine optimale Energierückgewinnung untersucht. Die Methan Produktion von Speiseabfällen wurde ebenfalls im Monodigestion untersucht und als Referenzwert für die Energierückgewinnung aus Speiseabfällen verwendet. Ergebnisse und technische Anwendung der Studie Es wurde aufgezeigt, dass die Ergebnisse der Wasserstofferzeugung aus Speiseabfällen mit belüftetem Inokulum im Chargen Experiment im thermophilen Bereich die höchsten H₂-Ausbeuten von 19,72 l / (kg oTR) aus Lebensmittelabfällen aufweisen. Der inokulierte HPB (Wasserstoff produzierende bakterielle) Schlamm, der aus dem ASBR-Säureproduktionsreaktor entnommen wurde, zeigte die optimale H₂-Ausbeute mit einem Wert von 61,41 l / (kg oTR). Das Verhältnis von Inokulum zu Substrat wurde bei 3 als besten Wert für H₂-Ausbeuten im Batch-Test ermittelt. Sogar die H₂-Produktivität im hyperthermophilen Bereich wurde mit einer schnelleren und höheren Leistung bestätigt, der thermophile Fermentationsprozess wurde aufgrund zu hoher Prozessanforderungen im hyperthermophilen Prozess kontinuierlich im Labormaßstab durchgeführt. Eine zweistufige Sequenzierung, bei der H₂+CH₄ erzeugt wurde, zeigte das Potential in den H₂ Ausbeuten während der ersten Säureproduktionsphase. Es wurden Methanausbeuten aus Monodigestion in einem ASBR-Methanreaktor mit einer ORB von 3,88 kg oTR / (m3.d) und durchschnittlichen CH₄-Ausbeuten bei 312.71L / Kg oTR erreicht, die als Referenzwert für die Gesamtenergierückgewinnung dienen. Im CSTR+ASBRMe system wurde die max. Wasserstoffausbeute bei 69,15 l / (kg oTR) und CH₄-Ausbeuten bei 291,77. L / (kg oTR) erreicht; Im Semiperkulator + ASBRMe system wurde eine max. Wasserstoffausbeute von 77,34 l / kg oTR und eine durchschnittliche CH₄-Ausbeute von 293,87 l / (kg oTR) erreicht; Bei ASBR+ASBRMe system beträgt die max. Wasserstoffausbeute 196,85 l / (kg oTR) und die durchschnittliche CH₄-Ausbeute liegt bei 293,87 l / (kg oTS). Die max. H₂-Konzentration in dem Hydrolysegas wurde in einem ASBR-Säureproduktionsreaktor bei 54% erzeugt. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass Lebensmittelabfälle als geeignete Substrate für die BioH₂ und CH₄ Sequenzierungsproduktion angesehen werden können. Außerdem sind die Produktionskosten für H₂ aufgrund eines höheren ORB und eines Kurzzeit-HRT geringer. KW - CSTR KW - Semi-percolator KW - ASBR KW - Methane KW - Two stage dark fermentation process KW - Biohydrogen KW - Food waste KW - Factor KW - OLR KW - Biogas KW - Biowasser KW - Methan KW - Speiseabfälle KW - Vergärungsprozess KW - Faktor KW - ASBR KW - CSTR KW - Perkulator KW - ORB KW - Biogas KW - Fermentation KW - Gärung KW - Lebensmittelabfall KW - Biogas Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43209 ER - TY - THES A1 - Burkhardt, Marko T1 - Die Leistungsfähigkeit anaerober Rieselbettreaktoren zur Methanisierung flüssiger und gasförmiger organischer Verbindungen durch biofilmgebundene methanogene Archaeen T1 - Anaerobic trickle bed digester for methanation of liquid and gaseous organic compounds by biofilm-bound methanogic archaea N2 - Die Anwendung anaerober Biofilme zur Umsetzung organischer Substrate zu Biogas bietet viele Vorteile. Durch die Immobilisierung methanogener Archaeen im System können kurze Verweilzeiten unter hohen Raumbeladungen in sogenannten Hochleistungsfestbettreaktoren ermöglicht 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 flüssiger und gasförmiger organischer Substrate eignet. Der direkte Vergleich zwischen einem klassischen überstauten Festbettreaktor und dem Rieselbettreaktor zeigte, dass sich beide Prinzipien für die Umsetzung von Essigsäure aber auch von Praxissubstraten (Maishydrolysat) eignet. Die pH-Werte im Ablauf lagen über 7,0, die Methankonzentration im Biogas ist jeweils über 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 überstauten 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 Flexibilitätsbonus im Rahmen der aktuellen Novelle des EEG 2012 wird das Kriterium der Reaktion auf den stündlichen Energiebedarf erfüllt. Im Rieselbettreaktor konnte die Abhängigkeit 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 dünneren Rieselfilmes bei einer geringen Rieselzahl R ein höherer Stofftransport in den Biofilm und letztlich ein höherer CSB-Abbau pro Verrieselung stattfand. Der maximale absolute CSB Abbau lag bei einer Raumbeladung von bR=19 m³/(m³FB•d). Diese Abhängigkeiten 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 gasförmige Substrate wurden erfolgreich Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid methanisiert. Unter Kreislaufführung 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 Methanproduktivität von 1,17 Nm³CH4/(m³FB•d) erreicht wurde. Im Ausblick führt der kontinuierliche Betrieb zu einem vollständigen 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 Energieträger vor, der sehr gut in klassischen Speichern (Erdgasnetz) ohne aufwendige Aufreinigung eingespeist werden kann. Die Inbetriebnahme und der Betrieb sowohl des überstauten Festbettreaktors als auch des Rieselbettreaktors ermöglichte die Beobachtung der Biofilmentwicklung. Dabei wurde eine vergleichbare Biofilmausbildung festgestellt. Im Rieselbettreaktor erfolgte ein erhöhter Biomasserückhalt, vermutlich aufgrund einer ungleichen Strömungsverteilung. Nach 239 Versuchstagen konnte ein vergleichbarer Biomasseanteil für 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 Strömungsverhältnisse der Flüssigkeitsschicht am Biofilm, der Konzentrationsgrenzschicht, des Stoffüberganges und des Stoffabbaus konnte eine Umsatzlimitierung festgestellt werden. Im Rieselbettreaktor lag eine Reaktionslimitierung bis zu einer mittleren Biofilmdicke von 174 µm vor. Bei einer höheren Biofilmdicke erfolgte eine Diffusionslimitierung. Die Bestimmung der methanogenen Archaeen im Rieselbettreaktor zeigte, dass sowohl beim flüssigen als auch gasförmigen Substrat der hydrogenotrophe und der acetoklastische Stoffwechsel parallel erfolgte. N2 - Anaerobic biofilms converting organic material to biogas have many advantages. Through immobilization of methanogenic archaea, short retention times and high organic loading rates can be realised in so called high-load fixed bed reactors. Meanwhile they can mostly be found in two stage processes. The innovative principle of an anaerobic trickle bed reactor for methanation is recent unknown. The proposed and patented design of the reactor is suitable for liquid as well gaseous organic substrates in a two stage methanation process. The investigation and direct comparison of a conventional flooded fixed bed reactor and a trickle bed reactor have shown whether the two principles are suitable regarding the reaction of liquids such as acetic acid but also of substrates used in practice (like maize hydrolysate). The pH values in the effluent were above 7.0, which indicate a stable process. The concentration of methane in the biogas was respectively about 70 vol%. Up to high organic loading rates of OLR=10-12 kgCOD/(m³FB•d) a specific methane production of P=3-4 Nm³CH4/(m³FB•d) was achieved. During retracted and continuous operation the methane yield YoTR ranged between 231-275 lSCH4/kgVSS in the trickle bed reactor and between 246-270 lSCH4/kgVSS in a flooded fixed bed reactor. These results are satisfactory compared to the theoretical value of 293 lSCH4/kgVSS achieved in standard tests. Both systems are very comparable. The addition and the interruption of the substrate feed allow the control of the methane formation with a reaction time of 3.4 to 5 hours. The trickle bed reactor showed a faster response of methane production after substrate addition caused by the recirculation through the entire packed bed. In terms of the current revision of the EEG in 2012, the criterion of response to the hourly energy demand is met ensuring the flexibility bonus. In the trickle bed reactor the dependence of metabolism on the organic loading rate OLR, the recirculation RV, the trickle time Rt, the process water volume Vfl and the hydraulic retention time HRT was investigated. HRT is not related to the contact time in the biofilm, the location of metabolism. The direct dependence between a high COD removal and the recirculation RV and trickle time Rt could be determined. The differentiated analysis of the trickle flow behaviour showed a formation of a thin trickling film at a low trickle number R. A higher mass transfer into the biofilm and following a higher COD removal per irrigation could be observed. The absolute and maximum COD removal was observed at an OLR of 19 m³/(m³FB•d). These dependencies were combined with the contact time Ct of substrate and biofilm. The ƞCOD-Ct-OLR diagram could be drawn. With the help of Ct, a model was created. The turnover rate k and the correction factor k* were determined empirically. The gaseous substrates hydrogen and carbon dioxide were successfully metabolized into methane. With circulating gas stream in a batch operation the hydrogen conversion achieved up to 98%. The methane content was up to 97.7%. The loading rate was maximal at OLR=4.43 m³SH2/(m³FB•d) with a specific methane productivity of P=1.17 m³SCH4/(m³FB•d). Looking ahead a complete conversion to a 100% methane concentration by a continuous operation is possible. This is the first time that methanization of hydrogen and carbon dioxide is realized under moderate temperature and pressure conditions. An energy carrier is developed which can very easily be fed in classical storages like the natural gas grid without extensive purification. Compared to conventional methanation processes the efficiency is much higher. The start-up and operation of both the flooded fixed bed reactor and the trickle bed reactor allowed the study of biofilm development. Here, a similar biofilm formation was observed. After 239 days of observation a similar proportion of biomass for both reactor types with 14 gFM/FK (35 gVSS/m²FKAO) and an average biofilm thickness from 600 µm were determined. The biomass yield YoTR/CSB of 0.016 to 0.020 gVSS/gCOD in both reactor systems corresponds to the literature values of 0.01 to 0.06 gVSS/gCOD. Considering the flow conditions of the liquid layer at the biofilm, the concentration boundary layer, the mass transfer and the degradation of the substance a limitation could be determined. In the trickle bed reactor a reaction limitation occurred up to an average biofilm thickness of 174 µm. For a higher biofilm thickness a limitation of diffusion was observed. The determination of methanogenic archaea in the trickle bed reactor showed that both the liquid and gaseous substrate conversion was performed via hydrogenotrophic and acetoclastic metabolism in parallel. KW - Biogas KW - Wasserstoff KW - Rieselreaktor KW - Biofilm KW - Methan KW - Biogas KW - Wasserstoff KW - Rieselbett KW - Biofilm KW - Methan KW - Biogas KW - Hydrogen KW - Tickle bed KW - Biofilm KW - Methane Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25249 ER -