Anaerobtechnik 2

Belastungsparameter: Raumbelastung, Verweilzeit

Leistungsparameter: Produktivität und Ausbeute, Abbaugrad

Betriebsparameter: Durchmischung, Temperatur, Ein-/Zweistufig

Vollständiger C-Abbau oder maximale Gasproduktion nicht realisierbar

àFermenter dann zu groß und unwirtschaftlich

àKompromiss aus ökonomischer Überlegung und maximaler Gasausbeute bzw. vollständigem Abbau = zeitliche Optimierung

Vorrausetzung: gleichbleibende Substratzusammensetzung

•       Höhere Raumbelastung bedeutet mehr Input wird zugeführt

•       Folge: HRT wird geringer

→ Berücksichtigung der Verdopplungsrate Mikroorganismen

→ Berücksichtigung der Aufenthaltszeit im Reaktor für den anaeroben Abbau

gibt an wie viel Kilogramm organischer Trockensubstanz (oTS) dem Fermenter je m³ Arbeitsvolumen pro Zeiteinheit zugeführt werden kann

•       Rechnerisches Mittel der Substrataufenthaltszeit im Fermenter

•       Bei steigender Raumbelastung sinkt die Aufenthaltszeit

•       Aufenthaltszeiten müssen größer als die Generationszeit von Bakterien sein!

Die Aufenthaltszeit sollte dem spezifischen Substratabbau angepasst sein

Bei steigender Raumbelastung sinkt die Aufenthaltszeit

•       Aufenthaltszeiten müssen größer als die Generationszeit von Bakterien sein!

•       Die Aufenthaltszeit sollte dem spezifischen Substratabbau angepasst sein

•       Produktivität (Gasproduktion pro Fermentervolumen)

•       Ausbeute (Gasproduktion bezogen auf Anlageninput)

•       Abbaugrad

•       Effizienz der eingesetzten Substrate über CSB (oTS)

Ökonomisch nicht tragbar

Eher nicht so gut, da es im Bereich der technischen Grenzen der Verweilzeit liegt

Schwerabbaubare Organik (Harze, Gerbstoffe) werden nicht abgebaut

Zu schwache Durchmischung: Schichtenbildung (nach Dichte) à Bakterien oben, Fermentationssubstrat unten; weniger abbau-aktive Grenzfläche durch Schichtenbildung à weniger Umsatz; Schwimmschicht erschwert Gasaustritt

Zu starke Durchmischung: Hohe Scherkräfte: Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen MOs gestört → Schlechterer Biogasumsatz

Kompromiss: ➔Moderate, (intervallweise) Durchmischung mit langsam drehenden Rührwerk

•       erhöhte Umsatzrate ➔ kleinere Reaktorvolumina

•       verbesserte Hydrolyserate

•       Verminderte Krankheitserreger

•       geringere H2S-Toxizitäten,

•       verbesserte Umwälzung, Diffusion und Schlamm- Absetzeigenschaften

geringere Bakterienproduktion

•       erhöhte Empfindlichkeit für Temperaturschwankungen

•       NH3 -Toxizität bei hohen Ammoniumkonzentrationen

•       Verschlechterung der Pelletbildung

•       verlangsamte Inbetriebnahme, wegen geringerem Schlammzuwachs

•       hoher Energiebedarf bei unzureichender Zulauftemperatur

•       erhöhte Ablaufkonzentration von organischen Säuren

Vorteile: Alle anaeroben Abbauphasen laufen in einem Reaktor ab, Günstigerer apparativer und baulicher Aufwand

Nachteile: Milieu muss an Phasen (3)&(4) angepasst sein; Phase (1)&(2) ist leicht gehemmt

•       Einstellen des optimalen Milieus (pH, T) in der jeweiligen Stufe für optimierte Stoffwechsel- und Gasbildungsgeschwindigkeit

•       Höhere Abbauleistung → Geringere Aufenthaltszeit (4 – 20 d vs. 15 – 30 d) → Kleinere Reaktoren

•       Geringere Gefahr von Prozessinstabilitäten durch Versäuerungsprodukte und Ammoniak

Nassvergärung (< 13 % TS) Trockenvergärung (20 – 35 % TS)

Gewinnung von Energie und Verbesserung der Substrateigenschaften zur Düngung

Primär: Abwasserreinigung und Schlammstabilisierung; Sekundär: u.a. Energiegewinn

Primär: Stabilisierung Sekundär: u.a. Energiegewinn

Deponiegasfassung zur Vermeidung schädlicher Umwelteinflüsse

Vorteile Verwendung konventioneller Förder- und Mischtechnik Günstigere Substratdurchmischung Günstigere Wärme- und Stoffaustauschbedingungen Erleichterte Biogasfreisetzung

Nachteile: Größere Stoffströme → größere Aggregate, Größere Volumina für Speicherung und Vergärung

•       Speicheranlage (unwirtschaftlich)

•       Durchflussanlage (abnehmende Bedeutung)

•       Durchflussspeicheranlage (Stand der Technik)

Verbesserung der biologischen Verfügbarkeit, Verbesserung des Fließverhaltens, Sicherere Hygienisierung

Durch Schredder, Mühlen, Quetschen

Abtrennung von: Glas, Holz, Kunststoffe, Metalle

Durch Siebung, Handsortierung

Meist in zwei diskontinuierlich, wechselweise betriebenen Pasteurisierungseinheiten

Thermische Vorbehandlung: 60 min, >70°C (EG-HygieneVO 1774 2002) oder Drucksterilisation: 20 min, 133°C, 3 bar

•       Einstellung des TS

•       Mischung der Substrate mit Stabmixer oder Drehkolbenpumpe

•       Gewährleistet kontinuierliche Zufuhr in Fermenter Vorhalt/Speicher für rd. 2 d

•       Gasdicht

•       Wasserdicht

•       Lichtdicht, UV-beständi

Isolierung, Heizung, Rührwerk

•       Wassergehalt: bis zu 70% (nicht wirklich „trocken“, aber stapelbar)

àMikroorganismen benötigen Feuchtigkeit!

•       Substrat: faserige Biomasse wie Mist, Gras oder Biomüll

•       Fermentertyp: Garagenfermenter oder Fermenterbox

•       Betriebsweise: Batchbetriebgestaffelter Batchbetrieb mehrerer Behälter erlaubt

kontinuierlichere Biogaserzeugung

•       Durchlaufdauer: 2 – 4 Wochen (substratabhängig)

Vorteile: weniger komplex, geringere Wartungs- und Betriebskosten, mobile Container-Anlagen möglich, Biogas substratbedingt mit geringerem H2S-Gehalt

Nachteile diskontinuierlich, unregelmäßige Gasproduktion, Substrate Landschaftspflegematerial und Grassilage seltener

•       Trockenfermenterbox gekoppelt mit Nassfermenter anstelle des Perkolationstanks

•       Behandlung der organischen Fracht des Perkolationswassers im Nassfermenter und Rückführung von Perkolationswasser

Vorwegnahme des langsamen Hydrolyse-Schrittes durch Verfahrenstechnik ▪ Aufschließen und Verkleinerung von Substratmolekülen (z.B. Rohschlamm)

Was bringt das?

Bessere Bioverfügbarkeit des organischen Substratanteils, Schnellerer Abbau, Weitergehenderer Abbau, Erhöhung der Biogasausbeute, ggf. „Hygienisierung“, tw. weniger Schaumprobleme

•       Kontakt Bakterien-Substrat

•       Wärmeausgleich

•       gegen Schichtenbildung

•       Verbesserte Ausgasung

•       Volldurchmischung

•       Pfropfenströmung

•       Batchverfahren

•       Möglichst kontinuierliche Beschickung mit Rohschlamm

•       Impfung des zu beschickenden Rohschlammes

•       Faulraumheizung mit möglichst konstanter Temperatur

•       Ständige Vermischung und Umwälzung

•       Gleichmäßiger Austrag am Faulschlamm und Schwimmschlamm

•       Speicherung, -aufbereitung und –verwertung von Faulgas

Expanded Granular Sludge Bed  (Kombination aus UASB und Fließbett)

Weiterentwicklung UASB: Verbesserungen zum UASB, Schlankere Bauform, Teilweise Zirkulation von Abwasser, Feiner verteilter Zulauf, Besserer Dreiphasenabscheider

Abtrennung von Störstoffen à Aufbereitung etwas aufwendiger

•       Maximale Gasproduktion bei stationärem Zustand  im (semi-)kontinuierlich betriebenen volldurchmischten Reaktor

•       Raumbelastung, Verweildauer, erreichbarer Abbaugrad und maximale Gasproduktion durch Anlagendimensionierung sowie eingesetztes Substrat vorgegeben

•       Theoretisch über geschlossene Massenbilanz kontrollierbar, praktisch schwierig, daher Teillösungen der biologischen Prozessüberwachung mit folgenden Messgrößen…

•

Biogasproduktionsrate

•       Zielgröße, ermöglicht Bilanzierung und Beurteilung von Stoffwechselvorgängen

•       Speichermessung mit korrosionsfesten Sensoren. Berücksichtigung des Volumens über Füllstand, Innendruck und Temperatur

•       Durchflussmessung in Rohren mit thermischem oder Fluidistor-Prinzip sowie Wirbeldurchflussmesser. Laminare Anströmung beachten.

Gaszusammensetzung

•       CH4 Infrarot- oder Wärmeleitfähigkeitssensoren, Bewertung der methanogenen Biozönose, für BHKW >40 % CH4

•       CO2 Infrarot- oder Wärmeleitfähigkeitssensoren CH4/CO2-Verhältnis kann Hemmung der Methanos anzeigen

•       O2 Elektrothermische oder paramagnetische Sensoren

Sollte nur bei gezielter Entschwefelung im Reaktor nachweisbar sein

•       H2S Elektrochemische Sensoren

Maximalkonzentration gegen Schäden an BHKW und Methanos

•       H2 Elektrochemische Sensoren, selten Wasserstoffpartialdruck umstrittener Parameter: CH4-Bildung in engem Konzentrationsbereich

Temperatur

•       Widerstandssensoren oder Thermoelemente

•       Messfühler in unterschiedlichen Reaktorhöhen (Detektion von Schichtenbildung)

•       Verschiedene Temperaturbereiche möglich, aber Konstanz bedeutend (siehe VL 5)

Inputmenge und Füllstände

•       Wiegen von Feststoffen mit Drucksensoren

•       Durchflussmessungen in Rohren bei Flüssigkeiten

•       Füllstandsmessungen über hydrostatischen Druck oder Abstandsmessung zur OK (Radar und Ultraschall)

•       Zur Bilanzierung der Masse und Abbauprozesse

pH-Wert

•       Biologische Prozesse stark abhängig vom pH und seiner Dissoziationsfolgen

•       Messung mit Sonden

•       pH ≠ Optimalbereichs → Störung ➔ sofortige Gegenmaßnahmen

Spurenelemente

•       Mineralstoffe in geringen Konzentration für Bakterien (VL05)

•       Können bei NaWaRos zu gering vorliegen – Nachdosierung oder Güllezugabe

Stickstoff, NH4+ und NH3

•       NH3/NH4+ hoch → Hemmung der Mikroorganismen

•       Messung (+pH): Ionensensitive Sonden, Küvettentest, Destillation und Titration

Schwimmdecken

•       Auftreibendes, verfilzendes faseriges Material

•       Als MO-Besiedlungsfläche bei O2-Entschwefelung

•       Sichtkontrolle der Schichtdicke

•       Manuelle Entnahme bei zu großer Stärke

Schaumbildung

•       Wegen reduzierter OF-Spannung

•       Messung mit Füllstandsmessgeräten (Ultraschall + Druck)

•       Tritt bei nicht optimalen Prozessbedingungen auf (Überlastung + hohe NH4-Konzentration)

•

Nachhaltige Behebung: Erkennen der Ursache, Beseitigen der Störungsquelle

Kurzfristige Entspannung: Maßnahmen zur Prozessstabilisierung (Reduktion der Input-Menge (Raumbelastung), Materialrückführung/Rezirkulation, Veränderung der Inputzusammensetzung)

Zugabe von Wirtschaftsdüngern, Zugabe von Spurenelementadditiven, Effizienzerhöhung durch Eisensalzzugabe (Bindung von S)

Bei Selbsterwärmung: − Kühlung über Heizsystem oder Wasserzugabe − Kontrollierter Wechsel des Temperaturmilieus (meso- → thermophil (instabil))

Senkung der Temperatur, Veränderung der Inputzusammensetzung (weniger Eiweiß), Austausch von Gärrest aus Nachfermenter

Zugabe von Fe-Salzen zur Sulfidfällung, Anteil S-haltiger Inputstoffe reduzieren, Verdünnung mit Wasser, Kurzfristige pH-Erhöhung

Vielschichtig…

•       Handlungsempfehlung der Betriebsanleitung folgen

•       Schnelle Alarmierung über automatische Überwachung und Fernbenachrichtigung

•       Vorhalt von Ersatz und Verschleißteilen zur Reduzierung der Ausfallzeit

•       Serviceteam vom Anlagenhersteller oder externe Dienstleister

•       Risikominimierung durch Kontrollen und Wartung

•       Lager im Freien sollten mit Folie gegen Niederschlagsperkolation geschützt sein

•       Flüssigkeitsrückstände dürfen nicht ins Erdreich gelangen und müssen in den Fermenter rückgeführt werden

•       Versigelte Freiflächen

•       Geschlossene Behälter

•       Hallen

Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Kalium, Weitere Spurenstoffe

•       Schutz der vergorenen Biomasse

•       Vorhalt als Düngemittel bzw. Kompostgrundlage

•       Schutz der Umwelt vor klimarelevanter Emission durch Abdeckung

Nutzung als Düngemittel nach DüMV zur Schließung des Nährstoffkreislaufes zugleich ökologische und wirtschaftliche Alternative zu künstlichen Düngern evtl. Aufbereitung nötig