Verkürzung der Einfahrphase bei der anaeroben Behandlung von Fäkalien, organischen Abfällen und Reststoffen

Band 19. Schriftenreihe des Lehrstuhls Abfallwirtschaft und des Lehrstuhls Siedlungswasserwirtschaft.

Nicole Meisgeier

Kurzübersicht

Band 19. Schriftenreihe des Lehrstuhls Abfallwirtschaft und des Lehrstuhls Siedlungswasserwirtschaft.
ISBN: 978-3-938807-74-3
ISSN: 1862-1406
Veröffentlicht: Oktober 2007, 1. Auflage, Einband: Broschur, Seiten 208, Format DIN A5, Gewicht 0.3 kg
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Verkürzung der Einfahrphase bei der anaeroben Behandlung von Fäkalien, organischen Abfällen und Reststoffen

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Details

Zum Geleit

Biogasgewinnung. War in der Vergangenheit dies fast ausschließlich ein Verfahren zur Klärschlammbehandlung und später eine weitere Option zur Verwertung von Bioabfällen, so hat es sich zunehmend als Energiegewinnungsverfahren auf der Basis nachwachsender Rohstoffe etabliert. Diese erfreuliche Entwicklung sollte jedoch nicht darüber hinweg täuschen, dass nach wie vor eine Reihe von Fragen im Kontext der Biogasgewinnung nicht befriedigend geklärt sind, geschweige denn, technische Lösungen existieren.
Eine dieser offenen Punkte ist die Klärung der Modalitäten der Einfahrphase. Traditionell ist die Einfahrphase ein langwieriger, oft mehrere Monate dauernder und oft schwieriger Prozess, da die biologischen Abläufe noch nicht in einer stabilen Phase verlaufen. Für die Praxis ist es daher von Bedeutung, Mechanismen an die Hand zu bekommen, die eine Verkürzung dieser Phase ermöglichen, bei gleichzeitiger Prozessstabilität. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn mobile Anlagen in Betracht kommen oder wenn Anlagen mit sehr spezifischen Materialien als Substrat beaufschlagt werden oder das Aufgabegut saisonal starken Schwankungen in der Zusammensetzung unterworfen ist.
Mit diesem Themenkomplex hat sich Frau Meisgeier in ihrer Arbeit auseinandergesetzt.
Die Untersuchungen haben deutlich gezeigt, dass revolutionäre neue Techniken nicht zu entdecken waren – wie sollte dies auch sein, bei gleichbleibender Biozönose – wohl aber Strategien sich entwickeln ließen, die die Einfahrphase verkürzen, stabiler gestalten vor allem aber planbar machen. Planungssicherheit ist aus technisch betrieblichen Gründen insbesondere aber aus ökonomischen Gründen ein großer Schritt vorwärts.
Damit bietet die vorliegende Arbeit nicht nur akademische Erkenntnis sondern auch direkten Nutzen für den praktischen Betrieb.

Weimar, im Oktober 2007 Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Bidlingmaier


Einleitung

Methanbakterien als Verursacher der Biogasbildung zählen zu den ältesten Lebensformen der Erde. Vermutlich wesentlich länger als durch Funde und Überlieferung bestätigt, machte sich die Menschheit, ohne Kenntnis der ihnen zugrunde liegenden Vorgänge, von Mikroorganismen ausgelöste Prozesse zunutze. Der kontrollierte Einsatz der Stoffwechselaktivitäten von Mikroorganismen in der Lebensmittelindustrie, der pharmazeutischen Industrie sowie in der Abwasser- und Abfallentsorgung hat in den letzten Jahrzehnten gewaltige Fortschritte gemacht und wird auf Grund neuerer Erkenntnisse der Wissenschaft, z.B. in der Molekularbiologie und der Genetik, in naher Zukunft sicherlich noch weiter an Bedeutung gewinnen.
Die Vergärung als anaerobe Methode zur Behandlung von org. Abfällen wird mit einer Vielzahl von auf dem Markt angebotenen Verfahren in der Regel in mittleren und großtechnischen Anlagen betrieben. Bei allen bereits existierenden Verfahren und Vergärungsanlagen ist der Einfahrbetrieb, auch in den hochtechnisierten Ländern mit großem Erfahrungspotential in der Anaerobtechnik, ein Nadelöhr im Gesamtprozess. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung
der Möglichkeiten der Verkürzung der Einfahrphase des anaeroben Abbauprozesses von organischen Abfällen und Reststoffen.
Die Optimierung und Beherrschung der Einfahrphase stellt aufgrund der komplexen Reaktionsvorgänge, bedingt durch die Vielzahl essentiell beteiligter und voneinander abhängiger Mikroorganismen sowie einer Fülle von entstehenden Stoffwechselprodukten, eine besondere Herausforderung dar. Auf der Basis einer umfassenden Literaturrecherche und -auswertung im ersten Teil der Arbeit, wurden verschiedene mögliche Inbetriebnahme-Strategien erarbeitet. Anschließend bestand das Ziel darin, in einer Reihe von Versuchen die Inbetriebnahme-Strategien bezüglich einer Verkürzung der dafür benötigten Zeit und des Einleitens eines stabilen Vergärungsprozesses zu testen. Entscheidend dabei war die kürzeste Zeit, in der sich eine stabile Anaerob-Biozönose ausgebildet hat und im Zuge dessen der Methangehalt im gebildeten Biogasfluss angestiegen war. Mit Hilfe von optimierten Einfahrstrategien sollte die vorhandene Mischpopulation und vor allem die sehr langsam wachsenden methanogenen Bakterien in Bezug auf ihre Wachstumsgeschwindigkeit und ihre Stoffwechselaktivität hin positiv beeinflusst werden. Dies bedeutet, durch die Entwicklung solch optimierter Einfahrstrategien soll es abschließend gelingen, eine stabile Anaerob-Biozönose im Vergärungsreaktor zu etablieren, welche eine hohe Abbauleistung gewährleistet.
Die Auswahl der im erstellten Versuchsplan verwendeten Inputstoffe erfolgte im Hinblick auf die anaerobe Behandlung dieser in Kleinreaktoren. Eine solche Ausrichtung auf die anaerobe Behandlung von organischen Abfällen in Kleinreaktoren liegt darin begründet, dass diese Forschungsarbeit im Rahmen des AiF-Projektes "Anaerobe Behandlung von Fäkalien, organischen Abfällen und Reststoffen in Kleinreaktoren-Schaffung von Verfahrensgrundlagen für Regel- und Steuerungsprozesse" durchgeführt wurde.
Mit der Bearbeitung dieses Themas erweist sich als wichtiger Ausgangspunkt das sorgfältige Studium der zugrundeliegenden biologischen Prozesse, die letztendlich für den Stoffabbau verantwortlich sind. Aus diesem Grund werden im anschließenden Kapitel die am anaeroben Stoffabbau beteiligten biologischen Prozesse und die beteiligten Mikroorganismen näher beleuchtet.

 

INHALTSVERZEICHNIS

Abbildungsverzeichnis XI
Tabellenverzeichnis XVII
Abkürzungsverzeichnis XIX
1 Einleitung 1
2 Biologische Prozesse des anaeroben Stoffabbaus 3
2.1 Die vier Phasen des anaeroben Abbaus 3
2.2 Die Physiologie und das Wachstum der anaeroben Mikroorganismen 10
2.3 Stoffwechselaktivitäten 15
3 Wichtige prozessbeeinflussende Parameter 21
3.1 Die Temperatur 21
3.2 Die Rolle des pH-Wertes 22
3.3 Der Feststoffgehalt 23
3.4 Die Rolle von Ammoniak und H2S bei der anaeroben Vergärung .24
3.5 Organische Säuren 29
4 Die Einfahrphase des anaeroben Abbauprozesses 33
4.1 Die am anaeroben Abbau beteiligten Mikroorganismen 33
4.2 Der Impfschlamm 38
4.3 Das Einfahren von Vergärungsanlagen 41
4.4 Zusammenfassende Erkenntnisse im Hinblick auf die durchzuführenden Versuche 47
5 Versuchsplanung 51
5.1 Versuchsziel 51
5.2 Das Untersuchungsprogramm 51
5.3 Untersuchung des optimalen Volumenanteils Impfschlamm 54
5.4 Herstellung und Einsatz von adaptiertem Impfschlamm 56
5.5 Untersuchung einer kontinuierlichen Erhöhung der Substratdosierung bis zu einer maximalen Raumbelastung 57
5.6 Vorhalten und Bereitstellen der Impfschlämme 58
6 Material und Methoden 61
6.1 Eingesetzte Inputstoffe 61
6.2 Versuchsapparaturen und -geräte 62
6.2.1 Laborreaktoren 62
6.2.2 Messtechnik 67
6.3 Analytische Methoden 71

7 Darstellung der Versuchsergebnisse 73
7.1 Vorversuche zur Untersuchung des optimalen Volumenanteils Impfschlamm 73
7.1.1 Untersuchungen mit dem Substrat Speisereste 74
7.1.2 Untersuchungen mit dem Substrat Fäkalien 79
7.2 Einsatz von adaptierten Impfschlämmen 83
7.3 Untersuchungen zur Ermittlung des minimalen Volumenanteil Impfschlamm für eine Optimierung der Einfahrphase 89
7.4 Untersuchung einer kontinuierlichen Erhöhung der Substratdosierung bis zu einer maximalen Raumbelastung 97
7.4.1 Untersuchungen mit dem Substrat Cellulose 97
7.4.2 Untersuchungen mit dem Substrat Maissilage 105
7.5 Untersuchungen zum Vorhalten und Bereitstellen der Impfschlämme 111
8 Diskussion und Bewertung der Versuchsergebnisse 115
8.1 Untersuchungen mit dem Substrat Speisereste 115
8.2 Untersuchungen mit dem Substrat Fäkalien 127
8.3 Untersuchungen zum Einsatz von mehrfach adaptierten Impfschlämmen 134
8.4 Ermittlung des minimalen Volumenanteils Impfschlamm für eine Optimierung der Einfahrphase unter Einsatz von Cellulose 140
8.5 Kontinuierliche Erhöhung der Substratdosierung bis zu einer maximalen Raumbelastung 146
8.5.1 Untersuchungen mit dem Substrat Cellulose 147
8.5.2 Untersuchungen mit dem Substrat Maissilage 154
8.6 Vorhalten und Bereitstellen von Impfschlämmen 157
9 Einfahrstrategien und Handlungsanweisungen 161
9.1 Einfahren im Batchbetrieb 162
9.2 Einfahren im kontinuierlichen Betrieb 168

10 Zusammenfassung und Ausblick 173

 

 

Die Herausgeber:

Bauhaus-Universität Weimar
Professur für Abfallwirtschaft
Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Bidlingmaier (Lehrstuhlleiter)
Coudraystraße 7
99421 Weimar
http://www.uni-weimar.de/Bauing/abfallw/
Bauhaus-Universität Weimar
Professur Siedlungswasserwirtschaft
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong
Coudraystraße 7
99421 Weimar
http://www.uni-weimar.de/Bauing/siwawi/home/_home.htm

 

 

 

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Methanbakterien als Verursacher der Biogasbildung zählen zu den ältesten Lebensformen der Erde. Vermutlich wesentlich länger als durch Funde und Überlieferungen bestätigt, machte die Menschheit, ohne Kenntnis der ihnen zugrunde liegenden Vorgänge, von Mikroorganismen ausgelöste Prozesse zunutze. Der kontrollierte Einsatz der Stoffwechselaktivitäten von Mikroorganismen in der Lebensmittelindustrie, der pharmazeutischen Industrie sowie in der Abwasser- und Abfallentsorgung hat in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht und wird aufgrund neuerer Erkenntnisse, zum Beispiel in der Molekularbiologie und in der Gentechnik, in naher Zukunft sicherlich noch weiter an Bedeutung gewinnen.
Die Vergärung als anaerobe Methode zur Behandlung von organischen Abfällen wird mit einer Vielzahl von auf dem Markt angebotenen Verfahren in der Regel in mittleren und großtechnischen Anlagen betrieben. Bei allen bereits existierenden Verfahren und Vergärungsanlagen ist der Einfahrbetrieb, auch in den hochtechnisierten Ländern mit großem Erfahrungspotential in der Anaerobtechnik, ein Nadelöhr im Gesamtprozess. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung der Möglichkeiten der Verkürzung der Einfahrphase des anaeroben Abbauprozesses von organischen Abfällen und Reststoffen.

Die Optimierung und Beherrschung der Einfahrphase ist aufgrund der komplexen Reaktionsvorgänge, bedingt durch die Vielzahl essentiell beteiligter und voneinander abhängiger Mikroorganismen sowie die Fülle von entstehendenStoffwechselprodukten, eine besondere Herausforderung. Auf der Basis einer umfassenden Literaturrecherche und -auswertung im ersten Teil der Arbeit wurden verschiedene mögliche Inbetriebnahme-Strategien erarbeitet. Anschließend bestand das Ziel darin, in einer Reihe von Versuchen die Inbetriebnahme-Strategien bezüglich einer Verkürzung der dafür benötigten Zeit und des Einleitens eines stabilen Vergärungsprozesses zu testen. Entscheidend dabei war die kürzeste Zeit, in der sich eine stabile Anaerob-Biozönose ausgebildet hat und im Zuge dessen der Methangehalt im gebildeten Biogasfluss angestiegen war. Mit Hilfe von optimierten Einfahrstrategien sollten die vorhandene Mischpopulation und vor allem die sehr langsam wachsenden methanogenen Bakterien in Bezug auf ihre Wachstumsgeschwindigkeit und ihre Stoffwechselaktivität hin positiv beeinflusst werden. Dies bedeutet, durch die Entwicklung solch optimierter Einfahrstrategien soll es abschließend gelingen, eine stabile Anaerob-Biozönose im Vergärungsreaktor zu etablieren, die eine hohe Abbauleistung gewährleistet. Die Auswahl der im erstellten Versuchsplan verwendeten Inputstoffe erfolgte im Hinblick auf die anaerobe Behandlung dieser Kleinreaktoren. Eine solche Aurichtung auf die anaerobe Behandlung von Abfällen in Kleinreaktoren liegt darin begründet, dass diese Forschungsarbeit im Rahmen des AiF-Projektes "Anaerobe Behandlung von Fäkalien, organischen Abfällen und Reststoffen in Kleinreaktoren - Schaffung von Verfahrensgrundlagen für Regel- und Steuerungsprozesse" durchgeführt wurde (AiF: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung "Otto von Guericke" e.V.).

Mit der Bearbeitung dieses Themas erweist sich als wichtiger Ausgangspunkt das sorgfältige Studium der zugrundliegenden biologischen Prozesse, die letztendlich für den Stoffabbau verantwortlich sind. Aus diesem Grund werden im anschließenden Kapitel die am anaeroben Stoffabbau beteiligten biologischen Prozesse und die beteiligten Mikroorganismen näher beleuchtet.
Insgesamt bietet die Arbeit nicht nur akademische Erkenntnis, sondern auch direkten Nutzen für den praktischen Betrieb.
(KA - Korrespondenz Abwasser · Abfall; Heft 7/08, Internet: http://www.dwa.de)

 

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