TY - THES A1 - Muhondwa, Jacob Paul T1 - Hygienization of enteropathogens contaminated biowaste for safer biological treatments T1 - Hygenisierung von mit enterophatogenen Mikroorganismen kontaminierten organischen Abfällen für ungefährliche biologische Verwertungsstrategien N2 - In this study, the aims were to investigate the die-off levels of pathogens attainable under conventional biotreatments, introduce alternative hygienization options and study their performance at eliminating pathogens from biowaste. In addition, the study investigated feasibility of biotreatment of potato peels waste (PPW) as management option for the peels waste generated in Dar es Salaam city. Pathogens inactivation studies using simulated biowaste (moisture ˃77%w/w) composed of PPW spiked with Escherichia coli and Salmonella senftenbergensis at laboratory-scale resulted into low temperature-time patterns of the aerobic In-vessel composting system and turned the process anaerobic thus demonstrated inefficiency at eliminating the spiked bacteria. Likewise, two-phase anaerobic digestion at continuous stirred tank reactor confirmed incapable at effecting complete inactivation of the bacteria unless substrate residence is prolonged above 72hrs. These distasteful confirmations inevitably advocate the importance of applying either pre- and/or post-biotreatment hygienization processes on biowaste for safer biotreatments. Existing hygienization options including acid/lime conditioning and batch pasteurization were applied, their hygienization efficacy investigated and the latter validated. Acetic acid treatment of biowaste at pH value 4 for 5days or lime treatment at pH value 11-12 for 1day brought complete die-off in E. coli and S. senftenbergensis. Temperature-time combination at 65°C for 30min was sufficient at effecting ˃1log cycle die-off of the spiked enteropathogens with z-Value of 11˚C for S. senftenbergensis hence validates the temperature-time regime of 70˚C for 30min and 70˚C for 60min set by U.S-EPA/625/R-92/013 and Regulations (EC) No. 208/2006 respectively. In addition, alternative hygienization options namely UV radiation and passive solar heating (PSH) were proposed, applied and evaluated. Modes of application and achievable bacteria die-off for all hygienization options are given in Chapter 2 to 6 of this document. Owing to its small investment capital (mostly do yourself construction), independence from fuel supplies and low running costs, the study highly recommend PSH as environmental friendly and economic viable pre- and post- biotreatment hygienization option especially for tropical climates and developing countries with adequate sunshine. In vessel co-composting of PPW with yard-waste at 6:1 ratio gave microbiologically safe and good quality compost. Endowed with higher CO2 removal, mesophilic/thermophilic two-phase anaerobic processing of PPW showed comparable results to biogasification from other biowaste. Biogas productivity from PPW was 2.3lNbiogas/l.day with an average CH4 yield of 0.13-0.35m3/kgoTS input having 58% CH4. The digestion resulted into H2S removal from above LoQ to less than 230ppm with 81% VS removal at substrate OLR of 2.4kgoTS/m3.day input without sign of inhibition. It is estimated that 1.0m3biogas with 5hrs burning potential and equivalent to 3.5kg firewood can be produced from 10.2kg of PPW anaerobic digested. The resulting biogas production would complement household energy need thus conserve forest resources which are subjected to high deforestation rate estimated at 4.1kilotons of wood per day as fuelwood. Digestate resulting from the anaerobic reactors would make valuable fertilizer to urban agriculture thus enhance soil fertility and productivity. N2 - Ziel dieser Arbeit war es, die Sterilisationsrate pathogener Mikroorganismen sowohl bei konventioneller Behandlung zu untersuchen als auch alternative Hygienisierungsverfahren zu entwickeln und deren Wirksamkeit hinsichtlich der Eliminierung pathogener Organismen in organischem Abfall zu überprüfen. Darüber hinaus wurde die Tauglichkeit biologischer Verwertungsverfahren am Beispiel von Kartoffelschalen (potato peels waste, PPW), als alternativer Entsorgungsweg für Kartoffelabfälle des Einzugsgebiets der Stadt Dar es Salaam analysiert. Bei Inaktivierungsversuchen mit simuliertem organischem Abfall (PPW angereichert mit enterophatogenen Mikroorganismen: Escherichia coli und Salmonella senftenbergensis, Feuchtigkeit von 77% w/w) in einem aeroben geschlossenem Kompostierungsbehälter wurden Zeiträume mit niedrigen Temperaturen und anaeroben Verhältnissen beobachtet. Folglich ist diese Art der Entsorgung nicht geeignet, die angereicherten pathogenen Bakterien wirkungsvoll zu eliminieren. Ein weiter Versuch mittels Zwei-Phasen-anaerob Faulung in einem kontinuierlich gerührten Tank führte zu gleichen Resultaten. Trotz einer Aufenthaltszeit des Abfalls von über 72 Stunden, konnten auch bei dieser Versuchsanordnung die Konzentration der zugesetzten pathogenen Organismen nicht effektiv gesenkt werden. Diese besorgniserregenden Resultate machen deutlich, dass eine Vor- und/oder Nachbehandlung organischer Abfälle für eine sichere Entsorgung unumgänglich ist. Für die Entwicklung alternativer Hygenisierungsverfahren wurden im Vorfeld herkömmliche Methoden, wie Konditionierung mit Säure bzw. Kalk und Pasteurisierung des Abfalls hinsichtlich ihres Hygenisierungsseffektes analysiert und ausgewertet. Sowohl eine Säurebehandlung (pH 4; 5 Tage) des organischen Abfalls als auch eine Kalkbehandlung (pH 11 – 12; 1 Tag) führte zu einem umfassenden Absterben der zugesetzten pathogenen Keime (E. coli and S. senftenbergensis). Die Hygenisierung bei einer Betriebstemperatur von 65°C für 30 Minuten erbrachten eine effektive Sterilisationsrate von ˃1log Zyklus-Sterberate der zugesetzten Organismen mit einem Z-Wert von 11˚C für S. senftenbergensis. Dieses Ergebnis bestätigt sowohl die Vorgaben der amerikanischen Umweltschutzbehörde (US-EPA/625/R-92/013) als auch der Europäischen Union (Regulations (EC) No. 208/2006), welche ein Temperaturregime von 70°C für 30 Minuten bzw. 70˚C für 60 Minuten vorgeben. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit alternativer Hygenisierungsmethoden, wie UV-Bestrahlung und passiver solarer Erhitzung (PSH) untersucht. Versuchsdurchführung und erhaltene Sterilisationsraten werden in den Kapiteln 2 bis 6 vorgestellt. Hinsichtlich der Gegebenheiten in Entwicklungsländern (kaum vorhandene Sachmittel, geforderten Unabhängigkeit der Energiequelle, niedrige Betriebskosten sowie vorherrschende tropische klimatische Verhältnisse mit hinreichender Sonnenscheindauer) wird PSH als das umweltfreundlichste und nachhaltigste prä-/ und post-Hygenisierungsverfahren empfohlen. Biologische Verwertungsmöglichkeiten von Kartoffelschalen (PPW) wurden mit verschiedenen Kompostierungsverfahren untersucht. Die Kompostierung im geschlossenen Kompostierungsbehälter von PPW mit Gartenabfällen im Verhältnis von 6:1 ergab aus mikrobiologischer Sicht einen sicheren und qualitativ hochwertigen Kompost. Ausgestattet mit erhöhtem CO2-Rücklauf zeigte die mesophile/thermophile Zwei-Phasen Vergärung von PPW vergleichbare Resultate wie eine Faulung mit konventionellen organischem Abfall. Die Biogasproduktion basierend auf PPW betrug 2.3LNbiogas/L*Tag mit einem durchschnittlichen Methanertrag von 58% bei 0,13-0,35m3/kgoTSEingang. Die Faulung hatte zur Folge, dass die H2S Konzentration sank, von jenseits der Bestimmungsgrenze zu weniger als 230ppm mit 81% organischem Feststoffrückhalt bei einer Beschickungsrate von 2,4kg Raumbelastung*m³oTS ohne Anzeichen von Hemmung. 1,0 m³ Biogas entspricht einer potenziellen Brenndauer von 5 Stunden. Dies ist gleichzusetzen mit 3,5 kg Feuerholz und äquivalent zu 10,2 kg PPW aus anaerober Faulung. Das gewonnene Biogas würde zur Deckung des häuslichen Energiebedarfs beitragen und auf diese Weise erheblich die Nutzung der schwindenden Waldreserven eindämmen (4,1kilotonnen Feuerholz/Tag). Zusätzlich stellt der verbleibende Gärrest einen wertvollen Dünger dar und trüge dazu bei, die Landwirtschaft in ländlichen Gebieten entscheidend zu verbessern. KW - Contaminated biowaste KW - Enteropathogens KW - Composting KW - Two-phase biogasification KW - Potato peels waste KW - Kompostierung KW - Hygenisierung KW - Enterophatogene Mikroorganismen KW - Kontaminierter organischer Abfall KW - Zwei-Phasen-Biogasproduktion KW - Organischer Abfall KW - Kontamination KW - Pathogener Mikroorganismus KW - Kompostierung KW - Hygienisierung KW - Biogasgewinnung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-39529 ER - 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 -