Vorlesung 5

• Vergärung der primären Gärprodukte (z.B. Ethanol, Butanol, Butyrat, Propionat, Lactat) zu Acetat, H2und CO2als sekundäre Gärprodukte: syntropheGärung

• Sekundäre Gärprodukte dienen den Methan-bildenden Bakterien als Substrat, syntrophe(sekundäre) Gärerhaben eine Schlüsselrolle beim anaeroben Abbau komplexer Substrate

• Syntrophie: zwei verschiedene Organismen bauen zusammen eine Substanz ab, die keiner von ihnen allein abbauen könnte

• SyntropheBakterien sind hier auf Methan-Bildner angewiesen, die den gebildeten Wasserstoff verbrauchen

• Synthrophie: Zwei Organismen bauen zusammen eine Substanz ab, die keiner von ihnen allein abbauen könnte

• Energiestoffwechsel mit externen Elektronenakzeptoren außerSauerstoff

• Atmungssysteme sind denen aerober Atmung analog; Elektronentransportkette mit ähnlichen Redox-Systemen wie Eisenschwefelproteinen, Chinonen, Cytochromen

• Viele Bakterien (meist Denitrifikanten) können aerobe und anaerobe Atmung

• Wenn O2vorhanden ist die aerobe Atmung begünstigt

• Andere Mikroorganismen mit anaerober Atmung sind obligate Anaerobier (z.B. Methan-Produzenten)

• Elektronenakzeptor ist kein Sauerstoff, ansonsten Analog zur aeroben Atmung

• Assimilatorischer Stoffwechsel: Anorganische Verbindungen werden reduziert für Zellaufbau (Anabolismus)

• Dissimilatorischer Stoffwechsel: Reduktion anorganischer Verbindungen für Energiestoffwechsel (Katabolismus)

• Reaktion am ende der anaeroben Nahrungskette, die zur mineralisierung des organischen Substrates führt

• Denitrifikation ist einziger biologischer Prozess, durch den organisch oder anorganisch gebundener Stickstoff zu N2 entbunden und in die Atmosphäre freigesetzt werden kann

• Reduktion zu den gasförmigen Komponenten N2O, NO, N2 -> Denitrifikation

• Anorganische Schwefelverbindungen fungieren als Elektronenakzeptoren

• Wichtigster Elektronenakzeptor ist Sulfat (SO42-): Reduktion zu Sulfid (H2S)

• Unterscheidung zwischen assimilatorischer und dissimilatorischer Sulfatreduktion

• H2S bildet mit Schwermetallen in Wasser schwerlösliche Verbindungen, z.B. FeS

1. Hydrolyse

2. Versäuerung (acidogene Phase)

3. Acetogene Phase

4. Methanogene Phase

• Anaerobe Klärschlammstabilisierung

• Biogas-Anlagen

• Anaerobe Behandlung orgnisch hochbelasteter Abwässer

• Klärschlamm: Primärschlamm aus mechanischer Vorklärung und Sekundärschlamm aus Belebungsstufe

• Anaerobe Stabilisierung von Klärschlamm für:

  Verminderung der Fäulnisfähigkeit

  Verbesserung der Entwässerungseigenschaften

  Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit

  Biogas-Nutzung als Nebeneffekt

• Meist bei größeren Kläranlagen > 20 000 EW

  oft lange hydraulische Verweilzeiten von > 30 Tagen

• Anwendung bei organisch hoch belasteten Abwässern mit BSB-Werten > 1000 mg/l; industrielle Abwässer

• Anlagen mit Biomasserückhaltung: Entkopplung von hydraulischer Verweilzeit des Abwassers und Bakterienwachstum

• Geringerer Klärschlammanfall als bei aerober Abwasserbehandlung (80 % geringer)

• Aerobe Nachbehandlung des anaerob behandelten Abwassers notwendig: Elimination von CSB-Rest, N, P

• Umweltaspekt:

  Behandlung von Abwasser, Schlamm, Abfällen zu verwertbaren Produkten (Dünger)

  Verbesserung von Düngeeigenschaften bei Gülle

  Verbesserung der Hygieneeigenschaften;

  Verminderung der CH4-, NH3-und H2S-Emissionen

  Rückführung von Pflanzennährstoffen aus Reststoffen

• Energieaspekt:

  Biogas als regenerative, speicherbare Energiequelle aus Abfällen, Abwässern und nachwachsenden Rohstoffen

  Verminderung von Kohlendioxid-Emissionen durch Einsparung fossiler Energieträger

1. Hydrolyse

2. Versäuerung (acidogene Phase)

3. Acetogene Phase

4. Methanogene Phase

• Enzymatische Hydrolyse (Reaktion mit Wasser und Enzym beteiligt)

• Ziel: möglichst viel Methan produzieren

• Biogaszusammensetzung (Substratabhängig)

  a.    Methan: 50-75%

  b.    Kohlenstoffdioxid: 25-50%

  c.    Ammoniak: 0-1%

  d.    Schwefelwasserstoff: 0-1%

• Fettsäuren

• Fettsäure-bildenden Gärervermehren sich schneller als die MethanogenenBakterien

• Starke Erhöhung der Beladungsrate mit Substrat führt zur verstärkten Versäuerung des Mediums à pH-Optimum der Methan-Bildner ist sehr eng: 6,8 - 7,2

• Nitrat- und Sulfatreduktion sind gegenüber Methanogenese bevorzugt und haben ein breiteres Substratspektrum

• Hauptsubstrate der Methanogenese werden auch bei der Sulfatreduktion umgesetzt

• Nitrat und Sulfat sind konkurrierende Elektronenakzeptoren

• Ammoniak und Schwefelwasserstoff können Vergärungsprozess hemmen

  
  

Es ist wichtig das pH-Optimum der Methanogenese einzuhalten. Darunter hemmen Fettsäuren und Schwefelwasserstoff, darüber Ammoniak, da diese in den Bereichen mehr gebildet werden.