In welche Phasen unterteilt sich die anaerobe Methanbildung? Welches sind die Hauptprodukte der jeweiligen Phasen und welche Bakterien nehmen daran teil?
1. Hydrolyse: Monomere durch extrazelluläre Enzyme der fakultativ anaeroben Bakterien
2. Acidogenese (versäuernde Phase): H2, CO2, org. Säuen, Essigsäure, Alkohole durch fakultativ anaerobe versäuernde Bakterien
3. Acetogenese: Essigsäure (Acetat) durch acetogene Bakterien
4. Methanogenese: Methan durch methanogen spezialisierte Bakterienarten
Welche Voraussetzungen müssen für die verschiedenen Phasen des anaeroben Abbaus eingehalten werden? Laufen alle Abbauschritte gleichzeitig ab?
1. Hydrolyse: geschwindigkeitsbestimmend beim Abbau schwer abbaubarer Substanzen
2. Acidogenese (versäuernde Phase): große pH Toleranz
3. Acetogenese: geschwindigkeitsbestimmend bei leicht hydrolysierbarem Material
4. Methanogenese: obligat anerobes Milieu
Laufen teilweise parallel ab, aber eigentlich hintereinander ab
Bei welcher Abbauart (aerob oder anaerob) ist der Energiegewinn größer und welchen Einfluss hat dies auf die Wachstumsgeschwindigkeit der Mikroorganismen?
Beim anaeroben Abbau entsteht weniger Energie, was dafür sorgt, dass Mikroorganismen langsamer wachsen
Allerdings: Großteil der Energie verbleibt im Biogas
Warum wird beim aeroben Abbau mehr Energie freigesetzt als beim anaeroben Abbau?
Beim anaeroben Abbau wird die Energie im Biogas gespeichert und daher nicht explizit freigesetzt
Nennen Sie Beispiele aus der Natur, wo ein anaerober Abbau stattfindet!
Moore, Reisfelder, Grund vom See, im Panzen der Wiederkäuer
Welche Reaktionen gibt es in der methanogenen Phase zur Methanbildung?
Reduktive Methanisierung:
CO2 + 4 H2 ↔ CH4 + 2 H2O – 135 kJ
Essigsäure/Acetatabspaltung:
CH3COOH ↔ CH4 + CO2 – 28,5 kJ
Welche Phase ist geschwindigkeitsbestimmend?
• Bei schwerabbaubarem org. Material die Hydrolyse
• Bei leichtabbaubarem Material die Acetogenese
In welchem Temperaturniveau erfolgt der anaerobe Abbau?
Mesophil (30-40°C) oder thermophil (50-60°C)
Was bedeutet fakultativ und obligat?
• Fakultativ: so, dass es freigestellt ist, ob man etwas tut oder nicht
• Obligat: verpflichtend
In welchen Phasen sind die Mikroorganismen fakultativ, in welchen obligat?
Versäuerungspphase
Was beschreibt die spezifische Umsatzrate? In welchem Milieu ist sie höher? Warum?
Sie ist beim anaeroben Abbau höher
Was sind die Nach- bzw. Vorteile einer intensiven Durchmischung?
Vorteil: optimaler Stofftransport, homogenes Milieu, keine Störschichten
Nachteil: hohe Scherkraftbelastung der Biozönose, hoher Energiebedarf
Was sind die Nach- bzw. Vorteile einer schonenden Durchmischung?
Vorteil: reduzierte Scherbelastung, geringerer Energieaufwand, niedriger Feststoff-Ablauf
Nachteil: Gefahr von Schwimmschichten, suboptimaler Stofftransport, Gefahr von Totzonen
Wonach sollte die Verweildauer angepasst werden? Worauf sollte bei der Wahl der Zeitspanne geachtet werden?
• Aufentshaltszeit so, dass Bakterienkonzentration nicht abnimmt
• Langsamste Bakterien bestimmen die Aufenhaltszeit
• Durchmischung
• Spezifische Abbaugeschwindigkeit des Substrates
Wie kann die Hemmung durch Schwefel verhindert werden?
• Erhöhung des pH-Wertes
• H2S-Fällung mit Eisensalzen zu Eisensulfit
• Rücknahme der Raumbelastung zur Steigerung des CSB-Abbauleistung
• Verdünnung mit S-armer Flüssigkeit
• Vorgeschaltete H2S-Strippung
Erläutern Sie die positiven und negativen Auswirkungen von Schwefelverbindungen
Positiv: Schwermetallentfernung, Reduktion von oxidierten Schwefelverbindungen, Verbesserung der Pelletstruktur, Stabilisierung des Prozesses, Nährstoffversorgung
Negativ: Hemmung der Methanbakterien, Geringe Methanproduktion, Verminderte Biogasqualität, Erhöhung der CSB-Ablaufkonzentration, Schwefelwasserstoff-Korrosion in der Gasphase, Geruch
Warum hemmen sulfatreduzierende Bakterien die Methanogenese?
Konkurrenz: Methanos und Sulfatreduzierer nutzen gleiches Substrat
è Sulfat-reduzierender Stoffwechsel energetisch günstiger als Methanogenese
Undissoziierter, gelöster Schwefelwasserstoff wirkt toxisch (pH-abhängig)
Worauf weist ein Anstieg von org. Säuren hin? Was sind Gegenmaßnahmen?
Versäuerung à Hemmung der Methanogenese, Acetogenese
Gegenmaßnahmen: Rücknahme der CSB-Belastung / Säurebelastung, Anhebung des pH-Wertes durch Neutralisationsmittel (NaCO3 , NaOH)
Warum hemmen Nitrat- und Ammoniumstickstoff den anaeroben Abbau?
Oxidierte N-Verbindungen (NO2 , NO3 ) werden im anaeroben Milieu denitrifiziert.
• Verlust an CH4 -Bildungspotenzial wegen Substratzehrung für Denitrifikation
• Anhebung des Redoxpotenzials führt zu Hemmung des CH4 -Bildungsprozesses
Ammonium (NH4 + ) und Ammoniak (NH3 )
• Undissoziierte Form (NH3 ) wirkt toxisch auf acetoclastische Methanbildner
• Hemmung selbstregulierend, wg. folgendem Anstieg der Konz. org. Säuren
Inwieweit wirkt sich eine mesophile bzw. thermophile Temperatur auf den Stoffwechsel aus?
• Je höher die Temperatur desto höher die Umsetzrate
• Optimaler, temperaturabhängiger Stoffumsatz organismenabhängig
• Versäuerung im mesophilen langsamer, aber stabiler (mehr Mikroorganismenkulturen)
• Methanbakterien am temperaturempfindlichsten: im thermophilen größtes Wachstum, im mesophilen größte Artenvielfalt
Sie stellen eine erhöhte CO2-Konzentration im Reaktor fest. Was könnte passiert sein?
Bei starken Rührvorgängen kann es zum Ausgasen kommen, pH Wert steigt an
Welche Faktoren wirken hemmend auf den anaeroben Abbau?
• Temperatur und pH-Wert
• Sauerstoff
• Schwefelverbindungen
• Org. Säuren
• Ammoniak
• Salze
• Schwermetalle
Welche Auswirkungen können Schwermetalle auf den anaeroben Abbauvorgang haben?
• Geringe Konzentration von Schwermetallen als Spurenstoff für Bakterien notwendig
• Überschreiten eines Schwellwertes der Konzentrationen von gelösten Schwermetallen wirkt toxisch auf Methanbildner
• Hemmung führt zu Inaktivierung der Methanbilder
→ Konzentration organischer Säuren ↑
→ pH-Wert ↓
→ Mobilität von Schwermetallen ↑
→ Hemmwirkung ↑
n welchem Bereich liegt der optimale pH-Wert für Methanbildner? Muss dieser zwingend vorliegen?
pH 6,8 – 7,5, muss zwingend vorliegen
In welchem Bereich liegt der optimale pH-Wert für Versäuerer? Muss dieser zwingend vorliegen?
pH 5,2 – 6,3 , muss nicht zwingend vorliegen
Nennen Sie 5 Einflussfaktoren auf den anaeroben Abbau
• Temperatur
• pH-Wert und Säurekapazität
• Substratzusammensetzung
• Verweildauer/Aufenthaltszeit
Welches sind die 4 wichtigsten Nährstoffe für den anaeroben Abbau und in welchem Verhältnis stehen sie zueinander?
CSB:N:P:S ~ 700:5:1:1
Wieso führen proteinreiche Substrate zu höheren Geruchsbelastungen?
Mehr schwefelhaltige Substanzen entstehen
Was ist der Einfluss der Substratzusammensetzung?
• entstehende Biozönose
• sich einstellenden pH-Wert
• Erreichen von kritischer Konzentrationen von Hemmstoffen
• Limitierung der Stoffwechselaktivität
• seine Zusammensetzung den Abbaugrad der Komponenten
• spezifische Gasmenge, je nach Feststoffgehalt (>8% Abnahme)
Was sind Auswirkungen der Hemmung von Methanbakterien?
Konzentration organischer Säuren ↑ (weil kein Verbraucher)
→ CO2
-Gehalt im Faulgas ↑
➔ „saure Gärung“
Was sind Auswirkungen der Hemmung von Versäuerern?
Weniger CH4 Bildungspotenzial (fehlendes Substrat für Methanbildner)
Was sind Parameter zur Überwachung der methanogenen Aktivität?
• pH-Wert im Reaktor
• CO2
• Gehalt, H2S-Gehalt im Biogas
• Konzentration organischer Säuren
• Redoxpotenzial (Säure ↑ – pH-Wert ↓ – H2-Partialdruck – Redoxpot. ↕)
Definition Biogas und Hauptbestandteile
Biogas ist beim anaeroben Abbau entstehendes Gasgemisch
Hauptbestandteile: CH4, CO2
Wovon hängt die Gasproduktionsrate bei der Faulung ab?
Substratzusammensetzung (C : H : O : N) und -verfügbarkeit, Verweilzeit, Belastungszustand, Temperatur
Bei welcher Stoffart ist die Gasausbeute am höchsten bzw. niedrigsten?
Fette > Proteine > Kohlenhydrate
Was passiert bei Temperaturanstieg?
Gasmenge steigt an, Methangehalt sinkt
Nenne 3 Biogasquellen für den anaeroben Abbau
Klärschlämme, Abwässer mit hohem CSB, landwirtschaftliche Reststoffe, nachwachsende Rohstoffe, biogene Siedlungsabfälle
Was versteht man unter Co-Vergärung?
Biogas aus gemeinsamer Vergärung verschiedener, gemischter Substrate
Spezifische Gasausbeuten der jeweiligen Substratkomponenten sind zu erwarten
è Biogasproduktionsrate pro Reaktorvolumeneinheit bei günstigen Verhältnissen der Co-Vergärung höher als bei Monovergärung der Substratkomponenten
Sinkt oder steigt die Gasausbeute bei einer längeren Verweilzeit der Biomasse in der Belebung? Warum?
Je weitergehender die Abwasserreinigung, desto geringer der Anteil leicht abbaubarer organischer Substanz und desto geringer der Gasanfall
Von welchem Tier hat die Gülle/der Kot die größte Biogasausbeute?
Hühnerkot > Zuchtschwein > Mastschwein > Rindergülle
Zeichnen Sie die Kurven für die Stoffe Gras, Stroh und Rinderkot in ein Gasausbeute/Faulzeit Diagramm
Bei welchem landwirtschaftlichen Substrat ist die Biogasausbeute am höchsten?
Maissilage
Was hat die höchsten CH4 Gehälter?
Last changed2 years ago
