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Grundlegende Untersuchungen zu einem neuentwickelten zweistufigen Trocken-Nass-Vergärungsverfahren

Basic investigations to a newly developed two-stage dry-wet fermentation process

  • Am Lehrstuhl Abfallwirtschaft wurde ein zweistufiges Trocken-Nass-Vergärungsverfahren zur Vergärung schüttfähiger Abfall- und Reststoffe entwickelt. Das Verfahren wurde unter dem Aktenzeichen PTC/DE2005/001990 patentiert. Nach einer intensiven Recherche und Klassifizierung der bestehenden Verfahren zur Vergärung von Abfällen wird eine Defizitanalyse erstellt. Danach werden die Entwicklungsschritte bei der Verfahrensentwicklung erläutert. Das neuentwickelte Verfahren besteht aus einer Hydrolyse, die im Perkolationsverfahren durchgeführt wird. Dabei wird das Perkolat mehrfach zur Perkolation genutzt, so dass sich die Hydrolyseprodukte darin anreichern. Ein Teil der Perkolationsflüssigkeit wird ausgeschleust. Das darin enthaltene Energiepotential der organischen Stoffe wird in einem separaten Methanreaktor nahezu hundertprozentig genutzt. Die somit gereinigte Flüssigkeit wird in die Perkolation zurückgeführt. Die durchgeführten Versuche beziehen sich ausschließlich auf die erste Verfahrensstufe, die Hydrolyse. Nach Batchversuchen zurAm Lehrstuhl Abfallwirtschaft wurde ein zweistufiges Trocken-Nass-Vergärungsverfahren zur Vergärung schüttfähiger Abfall- und Reststoffe entwickelt. Das Verfahren wurde unter dem Aktenzeichen PTC/DE2005/001990 patentiert. Nach einer intensiven Recherche und Klassifizierung der bestehenden Verfahren zur Vergärung von Abfällen wird eine Defizitanalyse erstellt. Danach werden die Entwicklungsschritte bei der Verfahrensentwicklung erläutert. Das neuentwickelte Verfahren besteht aus einer Hydrolyse, die im Perkolationsverfahren durchgeführt wird. Dabei wird das Perkolat mehrfach zur Perkolation genutzt, so dass sich die Hydrolyseprodukte darin anreichern. Ein Teil der Perkolationsflüssigkeit wird ausgeschleust. Das darin enthaltene Energiepotential der organischen Stoffe wird in einem separaten Methanreaktor nahezu hundertprozentig genutzt. Die somit gereinigte Flüssigkeit wird in die Perkolation zurückgeführt. Die durchgeführten Versuche beziehen sich ausschließlich auf die erste Verfahrensstufe, die Hydrolyse. Nach Batchversuchen zur Erforschung des Einflusses des Flüssigkeits-Feststoffverhältnisses in der Hydrolyse wurden quasikontinuierliche Versuche durchgeführt. Dabei wurden Untersuchungen zum Rücklaufverhältnis, zur Flüssigkeitsstromführung, zum pH-Wert und zum Salzgehalt der Flüssigkeit durchgeführt. Für alle Versuche wurde als Modellsubstrat Maissilage eingesetzt. Es wurden Bilanzen in Bezug auf den CSB, den Anteil FOS und die in der Flüssigkeit gelösten feinpartikulären Stoffe aufgestellt. Zunächst erfolgten Batchversuche in denen festgestellt wurde, dass die Hydrolyse sehr stark von der Konzentration der Hydrolyseprodukte abhängt, so dass von einer Produktinhibitation der Enzyme ausgegangen werden muss. Ein Grenzwert der Hemmung konnte dabei nicht festgestellt werden. Vielmehr ergab sich eine logarithmische Abhängigkeit von Produktkonzentration und Substratabbaugrad in der Hydrolyse. Weiterhin wurde erkannt, dass die Produktinhibitation teilweise, wenn auch nicht vollständig, reversibel ist. Mit den Erkenntnissen der Batchversuche wurden die pseudokontinuierlichen Versuche geplant und durchgeführt. In den Parallelversuchen, in denen der Hydrolysereaktor die gesamte Zeit mit eigenem Hydrolysat und Methanreaktorablaufflüssigkeit perkoliert wurde, konnten die Erkenntnisse der Batchversuche im Grundsatz bestätigt werden. Der Energieaustrag durch das Hydrolysat (gemessen als CSB-Ausbeute) ist stark abhängig vom Rücklaufverhältnis. Weiterhin haben die Durchströmung des Perkolationsfestbettes und der pH-Wert einen starken Einfluss auf die Hydrolysevorgänge. Als optimaler pH-Wert wurde ein Bereich von 6…7 bestimmt. In anschließenden Reihenversuchen wurde erforscht, wie sich die Flüssigkeitsstromführung beim Betrieb von mehreren Perkolatoren auswirkt. Dabei wurde festgestellt, dass sich die Gleichstromführung negativ, die Gegenstromführung hingegen positiv auf die Hydrolyse auswirken. In den abschließenden ökonomischen Betrachtungen wurde herausgearbeitet, dass das Verfahren für Abfälle sehr gut, für 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 mögliche Biogasausbeute erreicht, wird der Einsatzfall eher im Abfallbereich angesiedelt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich das zweistufige Trocken-Nass-Vergärungsverfahren sehr gut zur Vergärung von Abfällen eignet. Die untersuchten Randbedingungen sollten bei der Auslegung von Anlagen berücksichtigt werden, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu gewährleisten.show moreshow less
  • A two-stage wet/dry fermentation process for the fermentation of light waste and residual materials was developed at the Department of Waste Management. The process was patented under the reference number PTC/DE2005/001990. A deficit analysis will be compiled following vigorous research and classification of existing processes for the fermentation of waste materials. Subsequently, the development stages will be explained in the context of process development. The newly developed process consists of a hydrolysis, which is performed in a percolation process. In this process, the percolate is used repeatedly for percolation so that the hydrolysis products become concentrated in it. A portion of the percolation liquid is discharged; the energy potential of the organic matter contained in it is utilized almost entirely in a separate methane reactor. The liquid thus purified is returned to percolation. The conducted tests pertain exclusively to the first process step – the hydrolysis. Following batch tests for researching the influence ofA two-stage wet/dry fermentation process for the fermentation of light waste and residual materials was developed at the Department of Waste Management. The process was patented under the reference number PTC/DE2005/001990. A deficit analysis will be compiled following vigorous research and classification of existing processes for the fermentation of waste materials. Subsequently, the development stages will be explained in the context of process development. The newly developed process consists of a hydrolysis, which is performed in a percolation process. In this process, the percolate is used repeatedly for percolation so that the hydrolysis products become concentrated in it. A portion of the percolation liquid is discharged; the energy potential of the organic matter contained in it is utilized almost entirely in a separate methane reactor. The liquid thus purified is returned to percolation. The conducted tests pertain exclusively to the first process step – the hydrolysis. Following batch tests for researching the influence of the liquid/solid ratio in hydrolysis, quasi-continuous tests were conducted. In these tests studies were performed regarding the return ratio, the liquid flow, the pH value and the salt content of the liquid. Maize silage was used as the model substrate for all tests. Balances are established relating to COD, the percentage of FOS and the fine particulate matter dissolved in the liquid. Initially, batch tests were performed, in which it was determined that the hydrolysis depended heavily on the concentration of the hydrolysis products so that it was necessary to assume a product inhibition of enzymes. A limit value for the inhibition could not be determined in the tests; rather a logarithmic dependence on product concentration and the degree of substrate degradation in the hydrolysis was established. It could also be established that the product inhibition is partially – if not entirely – reversible. The pseudo-continuous tests were planned and performed with the knowledge from the batch tests. The findings from the batch tests were verified in principle by the parallel tests, in which the hydrolysis reactor was percolated the entire time with its own hydrolysate and methane reactor discharge liquid. The energy output through the hydrolysate (measured as COD yield) is heavily dependent upon the return ratio. Furthermore, the perfusion of the percolation fixed bed and the pH value have a strong influence on the hydrolysis processes. A range of 6...7 was determined to be the optimal pH value. In subsequent test series, research was performed to determine the effect of the liquid flow when operating multiple percolators. It was found that the cocurrent flow affects the hydrolysis negatively, whereas the countercurrent flow affects it positively. It was elaborated in the concluding economic observations that the procedure is very well suited for waste, however, it is only conditionally suitable for renewable resources. The gas yield is the decisive factor for the economic efficiency of renewable resource facilities. Due to the fact that the described process is very robust, biologically stable and versatile, although it does not always achieve the maximum-possible biogas yield, its application will more likely be established in the field of waste management. In summary, it is possible to determine that the two-stage wet/dry fermentation procedure is very well suited for the fermentation of waste matter. Boundary conditions studied should be taken into consideration when designing the systems in order to ensure an economically efficient operation.show moreshow less

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Metadaten
Author: Marko Sieber
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-26918
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Günther Busch
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2012
Date of final exam:2012/07/05
Release Date:2012/10/24
Tag:Biogas; Hydrolyse; Maissilage; Verfahrensentwicklung
Biogas; Hydrolysis; Maize silage; Process development
GND Keyword:Organischer Abfall; Vergärung; Biogas
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Abfallwirtschaft (ehemals)
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Abfallwirtschaft
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