Refine
Document Type
- Doctoral thesis (3)
Has Fulltext
- yes (3)
Is part of the Bibliography
- no (3)
Keywords
- Vergärung (3) (remove)
Institute
The provision of nutrients and organic matter to arable soils is critical to facilitate an intensive agriculture and secure long-term soil functionality. Municipal organic waste (MOW) is rich in nutrients and organic matter and its recycling onto agricultural lands presents a promising alternative to conventional fertilizers. In comparison to common aerobic treatment, the application of the biogas technology enables the recovery of both energy and soil amendments. The introduction of a mandatory separate collection in Germany in 2015 reflects the political will to increase MOW recovery rates and facilitates its utilization as feedstock in biogas plants. However, MOW is a challenging feedstock as its composition varies and it is often contaminated with impurities such as plastics and metals. The two-stage anaerobic digestion process with dry fermentation is very robust and offers possibilities for process control so that no extensive MOW pretreatment is required. To close nutrient circles, remaining digestates shall be processed to soil amendments, which can be redistributed to arable land. However, less is known about digestate properties from two-stage digestion of MOW and how they are influenced during the treatment process. Furthermore, only scarce information on nutrient recovery rates and the accumulation of elements during processing is available. Therefore, this thesis investigates the development of digestate properties during anaerobic and subsequent aerobic treatment at laboratory and semi-industrial scale. During a first experiment, changes in nutrient and heavy metal concentration in the solid digestate were monitored during anaerobic treatment of MOW in a two-stage laboratory biogas plant. A second investigation related amendment properties of MOW digestate of one origin to different post-treatment procedures. The impact of drying, composting and sieving on final digestate properties and specifically nutrient availability and heavy metal and carbon elution was evaluated. A third experimental approach investigated total material and substance flows during treatment of source-separated MOW in a semi-industrial scale two-stage biogas plant and subsequent digestate composting including impurities removal.
Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Feststoffvergärungen in zweistufigen-zweiphasigen Systemen
(2015)
Der anaerobe Umsatz fester, komplexer biogener Substrate zu Biogas in großtechnischen Anlagen zeigt häufig Defizite auf. Die (Mono)Vergärung pflanzlicher Biomassen ist in der Regel durch eine unzureichende Nutzung vorliegender energetischer Potenziale, geringe Prozessgeschwindigkeiten und dementsprechend geringe Produktausbeuten und Durchsätze sowie hohe Gärrestaufkommen charakterisiert. Insbesondere die Verwendung von Energiepflanzen als Biogassubstrate setzt vor dem Hintergrund von bestehenden Flächen- und Nutzungskonkurrenzen eine maximale Potenzialnutzung im Vergärungsprozess voraus. Grundlegend zeigen zweistufige-zweiphasige Systeme aufgrund der Berücksichtigung der unterschiedlichen Milieuansprüche fermentativer und methanogener Mikroorganismen eine höhere Effizienz sowie Prozessstabilität in der anaeroben Degradation gegenüber den klassischen einstufigen Systemen, dass mit zunehmender Komplexität der Substrate einen stärkeren Effekt einnimmt.
Vor diesem Hintergrund bestand das Ziel dieser Arbeit darin, über eine detaillierte Prozessanalyse und eine Erweiterung des Prozessverständnisses, die Bestimmung leistungsbeeinflussender Prozessspezifika und relevanter Prozessbedingungen sowie die Ermittlung geeigneter Prozessfahrweisen eine maximale Substratnutzung und effiziente Prozessführung in zweistufigen-zweiphasigen Feststoffvergärungen zu ermöglichen. Ein hoher Feststoffdegradationsgrad sowie hohe Feststoffabbauraten sind Grundvoraussetzungen für einen effizienten Anlagenbetrieb, die Gewährleistung hoher CH4-Ertragsgrade sowie geringer Feststoffverweilzeiten, jedoch gleichzeitig ein häufiges Defizit von Feststoffvergärungen. Grundlage in der Zielerreichung bildete die Ermittlung, Analyse und Optimierung leistungs- und prozessbestimmender Parameter und Zusammenhänge in experimentellen Untersuchungen anhand zweier Technologien zur zweistufigen-zweiphasigen Feststoffvergärung am Beispiel von Maissilage. Da die Leistungsfähigkeit des (Feststoff)Vergärungsprozesses maßgeblich durch die Substrathydrolyse bestimmt wird, wurde der Fokus der Untersuchungen auf die erste Prozessstufe gerichtet.
Die Untersuchungsergebnisse zum anaeroben Umsatz von Maissilage zu Biogas unter Nutzung eines Perkolations-/Festbett(PE/FBR)-Verfahrens und ASBR/ASBR-Verfahrens belegen grundlegend die potenziell hohe Leistungsfähigkeit zweistufiger-zweiphasiger Prozesse in der anaeroben Behandlung fester, komplexer Einsatzstoffe. Die Feststoffhydrolyse wird über die Milieubedingungen für die hydrolytisch und fermentativ aktive Mikroflora bestimmt und kann über relevante Prozessparameter beeinflusst werden. Die Ergebnisse der grundlegenden Optimierungsuntersuchungen im PE/FBR-System belegen dabei die Relevanz einer thermophilen und gasdichten Fahrweise der Hydrolyse für einen leistungsfähigen, potenzialnutzenden Prozess. In den leistungscharakterisierenden Untersuchungen wurde eine hohe Eignung des zweistufigen-zweiphasigen ASBR-Verfahrens zur Monovergärung von Maissilage nachgewiesen. In der Gegenüberstellung der zweistufigen-zweiphasigen Verfahren wurde zudem eine höhere Leistungsfähigkeit des ASBR/ASBR-Verfahrens gegenüber dem Perkolations-/Festbett-Verfahren ermittelt, welche aus einem erhöhten Hydrolysierungsgrad des Feststoffes, einem besseren Metabolisierungsgrad der Intermediate zu gasförmigen Produkten sowie einer erhöhten Umsatzrate resultiert. Als limitierende Faktoren im Hinblick auf die mikrobielle Feststoffdegradation in der Perkolationshydrolyse wurden der Wasserhaushalt im System, der Lagerungszustand des Substrates sowie die Charakteristik der flüssigen, intermediären Phase bestimmt. Milieubeeinflussend wirkt zudem das Hydrolyseverfahren selbst über differente Bedingungen hinsichtlich der Substratzugänglichkeit, der Oberflächenbesiedlung sowie des Stofftransfers in zwei separierten Phasen (Perkolation) und Zweiphasengemischen (ASBR-Hydrolyse). Im zweistufigen ASBR-Verfahren wurde als weiterer begünstigender Faktor in der Feststoffdegradation eine teilweise Verlagerung fermentativer Prozesse in die Methanisierung über den Transport partikulärer Stoffe in der intermediären flüssigen Phase ermittelt.
Desweiteren erfolgte im Rahmen der Prozesscharakterisierung eine Analyse der methanogenen Aktivität in der Hydrolyse anhand der Produktion an CH4. Die Beschreibung der Abhängigkeit der CH4-Bildung in der Hydrolyse vom vorliegenden pH-Wert erlaubt einen Rückschluss auf die Prozessführung im Hinblick auf die Rezirkulation von Prozessflüssigkeit und den entsprechend bedingten Eintrag an Puffersubstanz. In der Vergärung von Maissilage in den zweistufigen-zweiphasigen Systemen bestimmen CH4-Produktionen in der Hydrolyse den Gesamtmethanertrag zu ca. 30 %. Eine Unterbindung bzw. Verminderung methanogener Aktivitäten über die Milieubedingungen im Hydrolysesystem (z.B. pH, O2-Gehalt) erfolgt aufgrund der Beeinflussung der gesamten mikrobiellen Biozönose sowie mitunter der Enzymreaktionen grundsätzlich auf Kosten des CH4-Ertragsgrades. Eine Reduzierung methanogener Aktivitäten in der ersten Prozessstufe sollte daher über eine Unterbindung des Eintrags Methanogener in die Hydrolyse erfolgen. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass mit einer thermischen Behandlung des Methanisierungsablaufs (= Rezirkulat) eine effektive Inaktivierung methanogener Zellen erfolgt und damit Methanproduktionen in der Hydrolysestufe temporär vermieden werden können.
Auf Grundlage der ermittelten leistungsbestimmenden Faktoren und Zusammenhänge sowie des gewonnenen Prozessverständnisses zur Feststoffvergärung in zweistufigen-zweiphasigen Systemen wurden Empfehlungen für den Betrieb von zweistufigen Feststoffvergärungsanlagen abgeleitet.
Grundlegende Untersuchungen zu einem neuentwickelten zweistufigen Trocken-Nass-Vergärungsverfahren
(2012)
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 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.