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Thermal recycling of plastic waste using pyrolysis-gasification process for energy production
(2012)
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.
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.
Niemand flieht freiwillig, dass heißt, wenn sich Menschen zur Flucht entscheiden, so geschieht dies immer unter dem Druck einer Situation, die als aussichtslos und unerträglich empfunden wird. Jahr für Jahr verlassen mehrere Millionen Menschen ihre Heimat in der Hoffnung auf ein besseres Leben in einem anderen Land. Die Globalisierung von Wirtschaft und Technologien sowie politische oder militärische Krisen zwingen sie dazu. Krieg, politische Repressionen oder Mangel an Lebensperspektiven im Herkunftsland machen eine Rückkehr unmöglich. So sind die weltweit zunehmenden Migrationsströme ein untrügliches Zeichen für soziale Ungleichheit und Benachteilung in der Welt. Umweltflüchtlinge sind nicht nur eine Folge der Umweltzerstörung durch natürliche oder vom Menschen und seiner Industrie entstandene Umweltkatastrophen, sondern auch eine Folge des Bevölkerungswachstums. Dadurch kommt es zu einer dramatischen Überbeanspruchung landwirtschaftlicher Flächen, die letztlich ebenfalls zu deren Zerstörung führt. Obwohl das Stichwort der Bevölkerungsexplosion in aller Munde ist, scheint bisher weithin unerkannt zu bleiben, wie dramatisch diese Entwicklung in den vergangenen Jahrzehnten verlaufen ist. Und den Entwicklungsländern fehlen jegliche Kapazitäten, dieser Entwicklung ökonomisch und ökologisch entgegenzuwirken. Die in der letzten Zeit erarbeiteten alternativen Strategien zu einer Lösung des Palästinakonfliktes sind vor folgendem Hintergrund zu sehen: Bis Anfang der 90er Jahre wurden seit 1967 besetzte Gebiete von Israel beansprucht. Unter dem geänderten Bewusstsein der Weltöffentlichkeit werden die palästinensischen Territorien aber nun als von Israel strukturell eigenständige Einheit betrachtet. Nach dem langjährigen Konflikt zwischen Palästinensern und Israelis rückte durch den Friedensprozess die Frage nach der Zukunft der im Jahr 1967 besetzten Gebiete wieder ins Bewusstsein der Weltöffentlichkeit. Seither haben Bombardierungen und Abriegelungen vor allem des Gaza-Streifens jedoch zu einer weiteren Verschärfung der Krise geführt. Eine Lösung des Konfliktes muss dringend gefunden werden, weil nur dadurch auch eine Verbesserung des Lebensstandards der Menschen im Westjordanland und im Gaza-Streifen erreicht werden kann. Als Ergebnis des Oslo-Abkommens von 1994 entstand die palästinensische Selbstverwaltung (PNA), zu deren vorrangigen Zielen es gehört, die Lebensbedingungen in den Autonomiegebieten zu verbessern und die angeschlagene Wirtschaft zu fördern. Nach Erläuterung dieser politischen Prozesse in der Region konzentriert sich die Arbeit auf eine Diskussion über die dringend benötigte Entwicklung in der Region Gaza-Streifen, die als Teilgebiet eines zukünftigen palästinensischen Staates bisher umfangreiche Probleme und eine wahrhaftig deutliche Unterentwicklung erfahren hat. Die Sicherung der ökologischen Zukunft des Menschen ist eine zentrale Aufgabe für dienächsten Jahre. Zu unserem Wohl und vor allem auch zum Wohl der nachfolgenden Generationen darf sich Umweltpolitik nicht darauf beschränken, bereits eingetretene Umweltschäden zu beseitigen. Vielmehr müssen die Aspekte Natur und Ökosysteme zukünftig ganz selbstverständlich in alle Planungen und Maßnahmen des Menschen einbezogen werden. Umweltschutz ist Daseinsvorsorge. Folglich darf sie nicht nur als Schadensbeseitigung angesehen werden, sondern muss offensiv auf die Verhinderung umweltbelastender Entwicklungen abzielen. In diesem Zuge ist auch die Abfallbeseitigung zu einem zentralen Anliegen des Umweltschutzes geworden. Ein verantwortungsbewusster Umgang mit der Natur und den Ressourcen ist prinzipiell nur möglich, wenn Abfallstoffe, soweit sie nicht vermieden werden können, durch eine sinnvolle Verwertung möglichst weitgehend in den natürlichen Stoffkreislauf zurückgeführt werden. Der wesentliche Bestandteil einer geordneten Entsorgungswirtschaft ist die Absicherung ökonomisch und ökologisch vertretbarer Entsorgungswege. Eine hohe Entsorgungssicherheit bei vertretbaren Kosten ist einer der Faktoren, die die Qualität eines Wirtschaftsstandortes verbessern. Für eine vernünftige Abfallwirtschaftsplanung sind die zukünftig zu erwartenden Abfallmengen abzuschätzen, die durch das Wirtschaftswachstum sowie die Bevölkerungsentwicklung bestimmt werden. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen bestimmen die Zusammensetzung der Abfälle und über die Regelungen der Überlassungspflicht letztendlich die zu beseitigenden Abfallmengen.
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.
In the quest of finding sustainable solution to solid waste management problems in Ghana, this research formulated as its goal, to mitigate policy constraints to sustainable solid waste management in Ghana. This research goal and objectives were addressed through an empirical study that involved interviews and administration of two sets of questionnaires, one set to members of parliament and the other to members of the general public. The development of questionnaires was influenced by a conceptual policy development model “The Bridge Model of Policy Development”. Administration of questionnaires to members of the general public was accomplished through random sampling within churches and mosques in three cities in Ghana; Accra, Kumasi, and Takoradi. The percentage response for members of the general public was 38.9% and that for members of parliament was 18%. Prioritization of policy options was achieved through “Differentiated Perception Ranking”, a method devised by this research process. The results revealed the relative importance of constraints to sustainable solid waste management in Ghana, the relative difficulty of mitigating constraints, and the relative difficulty of implementing policy options among others. These results were integrated with the principles of sustainability into producing a policy package for sustainable solid waste management in Ghana.
The unprecedented population growth, rising in community living standard and urbanization have left most municipalities in African Countries grappling to find viable solutions to their waste management problems. Improper waste management is attributed to systemic failure of policy makers and municipal authorities to identify the most sustainable approach to dealing with it so as to meet environmental and socio-economic aspirations. This study aims to find a new approach involving people of different social, ethnic, gender and religious groups in the reconstruction of local waste management systems creating typical win-win situations. The main objectives of this research are as follows: • Investigates how gender affects solid waste planning and the influence of different social status of the community especially the role of households. • Examines the level of community involvement in solid waste management in terms of policy formulation, implementation and evaluation. The case study area Cameroon “Africa in miniature” is used to highlight waste management burdens and challenges which are characteristic of most African cities. This research sought to answer one principal question: Can top-down approaches in municipal solid waste management be successful without sufficient community engagement and sense of ownership? Top-down approaches where considered in terms of policies and technology transfer. An integrated methodology was used involving a desk study, field survey for situation analysis, household questionnaire survey, habitat scale, “waste to cash seminar” for stakeholders’ analysis and focus group discussion. The outcome of this holistic investigation reveals a strong concern for a clean environment thus citizens’ participation and awareness creation is so vital to take the message to grass roots level. Municipal waste collection services are more effective when they work in collaboration with community led primary collection from households. It is clear that where a reliable service can be guaranteed communities are willing to pay for it. Building the capacity of communities implies empowering community to sustainably manage their waste. An integration of several factors is vital to increase sustainability. However, this does not undermine the fact that the best implementation in some situations is some sort of a middle ground between Top-down and Bottom-up.