Methanisierung stapelbarer Biomassen in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentationsanlagen
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München
Utz
2007
|
| Schriftenreihe: | Umweltschutz
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| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Beschreibung für Leser Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
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INHALTSVERZEICHNIS
ABBILDUNGSVERZEICHNIS...............................................................................................................V
TABELLENVERZEICHNIS...............................................................,...................................................IX
VERZEICHNIS WICHTIGER ABKÜRZUNGEN, WIEDERKEHRENDER SYMBOLE UND
EINHEITEN...........................................................................................................................................XI
1 EINLEITUNG UND BEGRIFFSBESTIMMUNGEN...........................1
1.1 Einführung in die Thematik................................................................................1
1.2 Erläuterung und Abgrenzung zentraler Begriffe.............................................2
2 ZIELSETZUNG DER FORSCHUNGSARBEIT.................................4
3 GRUNDLAGEN.................................................................................5
3.1 Biochemischer Abbau organischer Substanz durch Mikroorganismen......5
3.2 Grundlagen zur Biogasproduktion....................................................................6
3.2.1 Grundprozess der Methangärung.........................................................................6
3.2.2 Voraussetzungen für eine ungehemmte Methangärung: Nährstoffversorgung
und Umweltmilieu..................................................................................................8
3.2.3 Biogasmenge und Qualität..................................................................................11
3.2.4 Ein-und mehrstufige Verfahrensführung............................................................12
3.2.5 Biogasproduktion im Batch-Betrieb.....................................................................12
3.2.5.1 Grundprinzipien des kontinuierlichen sowie des Batch- und Fed-Batch-Belriebs..........................12
3.2.5.2 Abbaukinetik im Batch-Prazess........................................................................................................15
3.2.5.3 Selektive Optimierung der Bakterienpopulation...............................................................................16
3.3 Grundlagen zu berieselten Feststoffschüttungen.........................................17
4 KENNTNISSTAND ZUR VERGÄRUNG VON FESTSTOFFEN.... 19
4.1 Verfahrensatternativen zur Vergärung von biogenen Feststoffen..............19
4.2 Laborversuche zur Feststoffvergärung bei hohen TS-GehaMen.................22
4.3 Vergärung in Feststofffermentem im Pilot- und PraxismaBstab.................23
4.3.1 Kontinuieriiche Anlagen.......................................................................................23
4.3.2 Praxisanlagen zur absatzweisen Festetofffermentation......................................26
4.4 Bewertung bisheriger Erfahrungen zur Vergärung bei hohen TS-
GehaHen..........................................................................................~.................32
5 MATERIAL UND METHODIK DER EXPERIMENTELLEN
UNTERSUCHUNGEN.....................................................................35
5.1 Beschreibung der Laboranlagen und der durchgeführten
Ldborversucne........................................_..._.....................__......_...............35
5.1.1 Aufbau und Betriebsweise...................................................................................35
I
Methanisierung stapelbarer Biomassen in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentationsanlagen
5.1.2 Messeinrichtungen und Analytik.........................................................................36
5.1.3 Ansatz und Durchführung von Versuchen..........................................................37
5.1.3.1 Grundsätzliches Vorgehen...............................................................................................................37
5.1.3.2 Versuchsplan Laborversuche (LVO bis LV1 Ob)...............................................................................38
5.1.3.3 Ergänzende Erläuterungen zur Zugabe von Kalk zu versauerten Fermentem (LV7b)..................40
5.1.3.4 Ergänzende Angaben zur Kopplung von Fermentern über die Flüssigphase (LV10)...................40
5.2 Praxisanlage: Boxenfermenter mit Perkolation.............................................41
5.2.1 Beschreibung von Bau- und Prozesstechnik sowie Betriebsweise....................41
5.2.2 Messtechnik.........................................................................................................43
5.2.3 Probenahme vor, während und nach der Vergärung..........................................44
5.2.4 Durchführung von Versuchen, Versuchsplan ausgewählter Praxisversuche
(PV1bisPV6)......................................................................................................45
5.3 Hinweise zur Auswertung der experimentellen Daten..................................46
5.3.1 Auswertung von Gaserträgen in den Versuchsansätzen....................................46
5.3.1.1 Bestimmung von Nonnmethanertrag und -produktionsrate, Bezugsgroßen..................................46
5.3.1.2 Ermittlung des Gasertrags von Einzelkomponenten in Materialmischungen.................................47
5.3.1.3 Restgasmenge innerhalb und außerhalb der Feststoflschüttung im Fermenter............................48
5.3.2 Anwendung statistischer Methoden, Darstellung von Messwerten, Umgang
mit offensichtlich fehlerbehafteten Messdaten....................................................50
6 DARSTELLUNG DER ERGEBNISSE VON VERSUCHEN IM
LABORMAßSTAB...........................................................................53
6.1 Vergärung von Pferdemist...............................................................................53
6.1.1 Pferdemist mit hohem Exkrementanteil im Laboranlagen-Prototyp (LVO)..........53
6.1.2 Erforderlicher Altmaterialanteil bei Mist mit hohem Strohanteil bei Perkolation
(LV1a) sowie Flutung (LV1b)...............................................................................54
6.1.3 Vergleich Perkolation und Einstau mit Prozess- oder Leitungswasser (LV2a)... 56
6.1.4 Vorbehandlung durch Vorzerkleinerung (LV2b) sowie Vorbelüftung (LV2c)......58
6.1.5 Gasertrag der Komponente Pferdemist in den Versuchen LV1 undLV2...........59
6.2 Rinderfestmist...................................................................................................60
6.2.1 Notwendigkeit der Altmaterialzugabe, Einfluss von Strukturmaterial (LV3a)......60
6.2.2 Vergleich Flutung und Perkolation (LV3b)..........................................................63
6.3 GrünschnMt........................................................................................................64
6.3.1 Unterschiedliche Mischungen mit Altmaterial im Perkolationsverfahren
(LV5a)..................................................................................................................64
6.3.2 Vergleich Flutung und Perkolation (LV4 und LV5b) sowie Gasertrag aus
Grönschnitt in LV4 und LV5................................................................................67
6.4 Grassilage (LV6)................................................................................................70
6.5 Vergärung von Maissilage................................................................................73
6.5.1 Variation des Anteils an festem Impfmaterial (LV7a)..........................................73
6.5.2 Stabilisierung versauerter TestzeMen durch Kalkzugabe (LV7b)........................76
6.5.3 Einfluss des ftirchmischungsgrarJes der Eiraeikomponenten (LV9b)...............78
6.5.4 Variation der Prozesswasserführung im Perkoiatonsbetrieb (LV8a. LV9a).......79
6.5.5 Vergleich Perkolation und Flutung (LV8b)..........................................................82
Inhaltsverzeichnis
6.5.6 Verteilung von Gärsäuren auf Fermenter in unterschiedlichen Gärphasen bei
in sich gärfähiger Mischung (LV10a)...................................................................84
6.5.7 Einsatz reiner Maissilage in Fermenterverbund mit Mischberieselung (LV1Ob). 87
6.5.8 In der zirkulierenden Flüssigphase gebildeter Methananteil (LV1 Oa, LV1 Ob).... 90
6.6 Nicht aus Fermenter ausgetragene Gasmengen...........................................91
6.7 Aufrechterhaltung der Zieltemperatur............................................................93
7 DARSTELLUNG DER ERGEBNISSE AUS DEN
PRAXISVERSUCHEN.....................................................................95
7.1 Vergärung von Rinderfestmist (PV1a und PV1b) mit Vergleich zu
parallelem Laborversuch..................................................................................95
7.2 Vergärung von Grünschnitt (PV2a und PV2b) mit Vergleich zu
parallelem Laborversuch..................................................................................97
7.3 Gärfähige Mischung mit Grassilage (PV3)...................................................101
7.4 Maissilage in optimiertem Versuchsansatz (PV4).......................................103
7.4.1 Allgemeine Beobachtungen, Gärtemperatur sowie Prozesswasseranalysen.. 103
7.4.2 Homogenität der Vergärung und Vergleich zu parallelem Laborversuch.........104
7.5 Vergärung einer Mischung aus Gras und Pferdemist unter Verzicht
auf Altmaterial..................................................................................................107
7.5.1 Auswirkung einer Störung in der Berieselung (PV5).........................................107
7.5.2 Homogenität des Gärprozesses bei ungestörter Berieselung (PV6)................108
7.6 Beobachtungen in weiteren Versuchsdurchläufen.....................................111
8 DISKUSSION DER VERSUCHSERGEBNISSE...........................113
8.1 Beurteilung der eingesetzten Methodik........................................................113
8.2 Diskussion der experimentellen Oaten aus den Laborversuchen.............117
8.2.1 Verfahrenstechnik..............................................................................................117
8.2.1.1 Subsiralkonditionierung..................................................................................................................117
8.2.1.2 Prozesswassereigenschaften und Perkotationsrate......................................................................121
8.2.1.3 Vergleich zwischen Perkctebonsverfahren und geflutetem Verfahren.........................................124
8.Z1.4 Zugabe von Kafc zu versauerten Fermentem...............................................................................127
8.2.2 Biogaserträge....................................................................................................128
8.2.Z1 SubslralspezaischeMelhaierftage................................................................................................128
8.2^.2 Einfluss des Afcnateridtyps............................................................................................................130
8.2.2.3 Gaserträge von Mischungen bei einer Gardauer von sechs Wochen pro Charge......................132
8.2.2-4 Gasproduktion in der zirkulierenden Flüssigphase im Vergleich zum Fesfcett............................133
8.2.3 Substratmischungen mit ungenügendem Gärrestanfall zur Deckung des
Impfmaterialbedarfs der neuen Charge............................................................133
8.2.4 Optimierung der Gärdauer pro Charge.............................................................135
8.3 ÜtiertragbarkeH von Laborergebnissen in den Praxismafistab.................139
tu
Methanisierung stapelbarer Biomassen in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentationsanlagen
9 ABSCHÄTZUNG DER AUFKONZENTRIERUNG VON
STOFFKOMPONENTEN IM PERKOLATTANK AUF DER
BASIS EINES THEORETISCHEN MODELLS.............................143
9.1 Entwicklung des Modells...............................................................................143
9.1.1 Annahmen und Zieldefinition.............................................................................143
9.1.2 Veränderung der Prozesswassermenge...........................................................143
9.1.3 Mobilisierung von Inhaltsstoffen aus dem Feststoff..........................................146
9.1.4 Formulierung des Modells.................................................................................147
9.2 Ausgewählte Ergebnisse................................................................................150
10 RELEVANZ DER ERGEBNISSE FÜR DIE
FESTSTOFFVERGÄRUNG IN BERIESELTEN
BOXENFERMENTERN IM PRAXISMAßSTAB...........................153
10.1 Auswahl des Prozesstyps nach Eigenschaften des Substrates...............153
10.2 Planung und Betrieb von Anlagen................................................................155
10.2.1 Anlagendimensionierung und Abschätzung der Methanerträge.......................155
10.2.2 Arbeitszeitaufwand............................................................................................159
10.2.3 Verfahrenstechnische Grundausstattung..........................................................160
10.2.4 Inbetriebnahme (erste Gärcharge)....................................................................162
10.2.5 Prozessbetrieb...................................................................................................162
10.3 Identifikation des weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarfs.........164
11 ZUSAMMENFASSUNG................................................................167
12 LITERATURVERZEICHNIS..........................................................171
13 ANHANG........................................................................................180
Anhang 1: Laboranalytik (Prozesswasser- und Feststoffproben) und Analyse der Gasphase..............180
Anhang 2: Laborreaktoren - fotografische Aufnahmen............................................................................183
Anhang 3: Laborversuche - weitergehende Erläuterungen zur Durchführung.......................................185
Anhang 4: Praxisanlage - fotografische Aufnahmen...............................................................................190
Anhang 5: Praxisanlage - Messdatenerfassung......................................................................................192
Anhang 6: Praxisversuche - weitergehende Erläuterungen zur Durchführung......................................194
Anhang 7: Laborversuche - Darstellung weiterer Ergebnisse.................................................................196
Anhang 8: Praxisversuche -Darstellung weiterer Ergebnisse................................................................217
Anhang 9: Abschätzung des Strukturmaterialbedarfs zur Sicherung eines ausreichenden
Gärrestanfalls bei Substraten mit hoher Setzungsneigung sowie Berechnung des
Altmaterialbedarfs bei gezielter Zumischung von Strukturmaterial........................................220
ABSTRACT: METHANISATK3N OF STACKED BtOMASS m DISCONTINUOOSLY
OPERATED SOUD-PHASE DIGESTION SYSTEMS............_______..................224
Abbikjungs- und Tabellenverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 3-1 Grundprozesse der Biogasentstehung durch bakterielle Methanogenese /Janke,
2002, verändert/.................................................................................................................7
Abbildung 3-2 Anteil NH3-N am gesamten NH4-N mit Detailangabe bei 35 °C....................................11
Abbildung 3-3 Grundprinzipien kontinuierlicher und diskontinuierlicher Verfahren...............................13
Abbildung 3-4 Wachstumskurve einer Bakterienkultur /nach Schlegel, 1985/.....................................15
Abbildung 4-1 Obersicht zu Verfahrensalternativen zur Feststoffvergärung mit Angabe von
Beispielen zu entwickelten oder am Markt angebotenen Verfahren.............................20
Abbildung 4-2 Verfahrensaltemativen bei der Nutzung berieselter Feststoffschüttungen...................22
Abbildung 4-3 Verfahrensfließbild DRANCO (Vergärung von Bioabfall) /Schön, 1994/.......................24
Abbildung 4-4 Verfahrensfließbild KOMPOGAS-Prozess zur Vergärung von Bioabfall......................25
Abbildung 4-5 Segmentweiser Einbau von Reaktionsgut im 3A-Verfahren..........................................27
Abbildung 4-6 Praxisanlage zur Vergärung von Pferdemist in gefluteten Fermentem (nicht mehr
in Betrieb).........................................................................................................................31
Abbildung 5-1 Laborreaktor-schematische Darstellung......................................................................35
Abbildung 5-2 Praxisanlage mit vier berieselten Boxenfermentem (links: geschlossene
Fermenten rechts: ein offener Fermenter bei Vorbereitung der neuen Charge)..........42
Abbildung 5-3 Fließschema der Praxisanlage mit Spezifikation der automatisiert errassten
Messstellen......................................................................................................................43
Abbildung 5-4 Darstellung statistischer Kennwerte mittels Box-Whisker-Plot......................................51
Abbildung 6-1 Methanproduktion und Methanproduktjonsrate in LVO (frischer Pferdemist)................53
Abbildung 6-2 pH-Werte im Prozesswasser der perkoierten Testzellen im Versuchsverlauf LV1a
mit Pferdemist..................................................................................................................54
Abbildung 6-3 Methanertrag von Versuchsmischungen mit Pferdemist in LV1a und LV1b.................55
Abbildung 6-4 pH-Wert der Prozessflüssigkeit bei der Vergärung von Pferdemist ohne Altmaterial
im perkoüerten und im gefluteten Verfahren l_V1b.........................................................56
Abbildung 6-5 pH-Werte und Fettsäurekonzentrationen im Prozesswasser der Fermenter mit
perkoliertem sowie geflutetem Pferdemist......................................................................56
Abbildung 6-6 Methanproduktion sowie zugehöriger Methangehalt im Biogas bei Vergärung von
Pferdemist rri perkoüerten und gefluteten Fennentem (LV2a).......................................57
Abbildung 6-7 MethanprodukBon der Testzellen mit Pferdemist ohne VorbehandUmg sowie
gehäckselt und vorbelüftet, jeweils geflutet mit Prozesswasser....................................59
Abbildung 6-8 pH-Werte und Gesamtfettsäuregehalte im Prozesswasser bei der Vergärung von
Rinderfestmist in verschiedenen Varianten (LV3)..........................................................61
Abbildung 6-9 oTS-bezogene Methanerträge und CHi-Konzentratnnen bei der Vergärung von
Rinderfestmist im PerkoteBonsverfahren (LV3a)............................................................61
Abbildung 6-10 Konzentrationen an Stickstoff, CSB und oTS im Prozesswasser von
Versuchsansätzen mit Rinderfestmist (LV3)..................................................................63
Abbildung6-11 oTS-oezogene Methanertrage und Cm-Konzentrationen bei der Vergärung einer
Mischung mit Rindermist im perkoierten und gefluteten Verfahren..............................64
Abbildung 6-12 pH-Werte und Gesamtkonzentrationen an leichtflüchtigen Fettsäuren in LV5a
(perkoüerte Reaktoren m» Grünschnitt)..........................................................................65
Abbildung 6-13 Konzentrationen an Stickstoff, CSB und oTS im Prozesswasser von LV5a
(Reaktoren mit perkoliertem Grunschnitt).......................................................................65
Abbildung 6-14 oTS-oezogene CHrErtrage und CHrProduMtonsraten in LV5a (perkoSerter
Grunschnitt).....................................................................................................................66
Abbildung 6-15 Volumenbezogene CHrErtrage sowie ClVProduköonsraten von Fermentem rr*
perkoliertem Grünschnitt.................................................................................................67
Abbildung 6-16 pH-Werte und Gesamöetlsäuregehate In FBsskjphasen von LV4 und LV5b
(perkofcrteruridgeftj^erGrünscrin»).........................................................................68
Abbildung 6-17 oTS-Dezoo^ne CHj- traoe urrt CH,-Prodi*tionsraten in LV4 und LV5fa
(perkoüerter und gefluteter GrünschniB).........................................................................68
AboMung6-18 pH-Werte sowie Fettsâurekonzentrationen im Prozesswasser von Mischungen aus
Grassilage und Alhnaterial im Pertotafaisvwfahren (LV6)..........................................70
Methanisierung stapelbarer Biomassen in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentationsanlagen
Abbildung 6-19 Stickstoflkonzentrationen im Prozesswasser von LV6 (perkolierte
Grassilagemischungen)...................................................................................................71
Abbildung 6-20 oTS-bezogene Methanertrage sowie Methanproduktionsraten der perkolierten
Mischungen mit Grassilage (LV6)...................................................................................72
Abbildung 6-21 pH-Werte sowie Fettsäurekonzentrationen im Prozesswasser von perkolierten
Mischungen mit unterschiedlichen Anteilen Maissilage.................................................73
Abbildung 6-22 Fettsäurespektrum im Prozesswasser in LV7a (perkolierte Maissilageansätze)..........74
Abbildung 6-23 oTS-bezogene Methanproduktion und Produktionsrate von perkolierten
Mischungen mit verschiedenen Anteilen Maissilage und Altmaterial............................74
Abbildung 6-24 Volumenbezogene Methanerträge sowie Methanproduktionsraten in LV7a
(perkolierte Mischungen aus Maissilage und Altmaterial)..............................................75
Abbildung 6-25 pH-Werte, Fettsäurekonzentrationen, CH4-Erträge sowie Produktionsraten in LV7a
nach unterschiedlichen Zugaben von Kalk zu versauerten Fermentem mit
Maissilage........................................................................................................................77
Abbildung 6-26 Einfluss des Durchmischungsgrades von Einzelkomponenten auf den
Methanertrag einer perkolierten Mischung mit 15 Gew.-% TS Maissilage...................78
Abbildung 6-27 pH-Werte und Fettsäuregehalte im Prozesswasser bei durchmischtem und
geschichtetem Substrat in LV9b (perkolierte Mischung mit 15 Gew.-% TS
Maissilage).......................................................................................................................79
Abbildung 6-28 pH-Werte und Fettsäuregehalte in LV8a (Mischungen mit 25 Gew.-% TS
Maissilage) bei unterschiedlicher Perkotation................................................................80
Abbildung 6-29 oTS-bezogene Methanerträge und Produktionsraten in LV8a (Mischungen mit
25 Gew.-% TS Matsstege) bei unterschiedlicher Perkolation.......................................80
Abbildung 6-30 pH und Fettsauregenalte in LV9a (Mischungen mit 15 Gew.-% TS Maissilage) bei
unterschiedener Perkolation..........................................................................................81
Abbildung 6-31 oTS-bezogene Methanerträge und Produktionsraten in LV9a (Mischungen mit
15 Gew.-% TS Maissilage) bei unterschiedlicner Perkolation.......................................81
Abbildung 6-32 pH und Fettsauregehalte der gefluteten und perkolierten Fermenter jeweils mit
Mischungen mit 25 Gew.-% TS Maissitage....................................................................83
Abbildung 6-33 oTS-bezogene Methanertrage und Methanproduktionsraten der perkolierten und
gefluteten Feimenter mit 25 Gew.-% TS Maissilage.....................................................83
Abbildung 6-34 pH-Werte in LV10a (Mischungen mit 20 Gew.-% TS Maissilage) bei eigen- und
mischperkolierten Fermentem (weitere Entwicklung vgl. Abbildung 13-35).................85
Abbildung 6-35 Methanerfrag in LV10a (Mischungen mit 20 Gew.-% TS Maissilage) bei eigen- und
mischperkolierten Fermentem........................................................................................86
Abbildung 6-36 Fettsäuregehalte im Prozesswasser LV10b bei Zuschaltung von retner Matssüage
zu Fermenterverbund mit Mischperkolation (rechts) im Vergleich zu
eigenperkoferten Reaktoren mit gärfähiger Mischung (20 % Maissilage) (links).........87
Abbildung 6-37 Methanproduktionsraten der Einzelfermenter in Fermenterverbund LV10b bei
Zuschaltung von Reaktoren mit reiner Maissilage.........................................................88
Abbildung 6-38 oTS-bezogene CHrErträge in LV10b bei eigenperkolierten Reaktoren und im
mischperkolierten Fermenterverbund.............................................................................89
Abbildung 6-39 Substrattemperatur in perkolierten und gefluteten Fermentem in LV1 bisLVIO..........93
Abbildung 7-1 Temperatur im Gärsubstrat sowie im Pertotattank im Verlauf von PV1 beider
Vergärung von Rinderfestmist........................................................................................96
AbbSdung7-2 Temperatur im Gänsubstrat sowie im PerkoiaBank im Vertauf von PV2
(Versuchsansätze mit Grünschnitt).................................................................................98
Abbildung 7-3 Prozesswasseranalysen im Verlauf von PV2a (Mischung aus 75 Vot-%
Grünschnitt und 25 Vol,-% Altmaterial)...........................................................................99
Abbildung 7-4 Prozesswasseranalysen im Verlauf von PV2b (100 % Ganschnitt).............................99
Abbüdung7-5 Gemessener Melhanertrag sowie Methangehalt im Biogas der Mischung mit
75 Vol.-% Grünschnitt im Praxis- und im Laborversuch (PV2a, LV4).............„..........100
Abbildung 7-6 Temperatur m der FestetoffschüBung und im Pertotattank im Venauf von PV3
(Subsiatmischung aus 38 VoL-% Grasstege und 82 VoL-% Altmaterial)..................101
Abbildung 7-7 Prozesswasseranalysen im Vertauf von PV3 (Mischung m» 38 Vo).-% Grasstege).. 102
Abbildung 7-8 Prozesswasseranalysen im Verlauf von PV4 (Mischung aus 25 Gew.-% TS
Maissitage und Allmaterial)...........................................................................................104
Abbikjungs- und Tabellenveizeichnis
Abbildung 7-9 TS- und oTS-Gehalte im Gärrest aus PV4 (garfähige Substratmischung mit
25 Gew.-% TS Maissilage) über die Höhe und Breite der FeststDflschüttung in drei
verschiedenen Fermenterliefen....................................................................................105
Abbildung 7-10 TS- und oTS-Gehatte im Gärrest des Praxis- und des Laborversuchs mit 25 Gew.-
% TS Maissilage............................................................................................................106
Abbildung 7-11 CH,-Ertrag sowie CHi-Gehalt im Biogas in PV4 im Vergleich zu
korrespondierenden Versuchsansätzen im Labor (LV8a)...........................................106
Abbildung 7-12 Prozesswasseranalysen im Verlauf von PV5 (Substratmischung aus 60 Vol.-%
Gras und 40 Vol.-% Pferdemist)...................................................................................107
Abbildung 7-13 Prozesswasseranalysen im Verlauf von PV6 (Mischung aus 60 Vol.-% Gras und
40 Vol.-% Pferdemist)....................................................................................................109
Abbildung 7-14 Niveau und Schwankungsbreite an TS, oTS, pH-Wert, Gesamtfettsäuren sowie
Propionsäure im dreidimensionalen Profil des Gärrestes aus PV6
(Substratmischung aus 60 Vol.-% Gras und 40 Vol.-% Pferdemist)...........................110
Abbildung 7-15 pH-Werte und GesamtfettsäuregehaKe im Gärrest aus PV6 (Substratmischung mit
60 Vol.-% Gras und 40 Vol.-% Pferdemist) über die Höhe und Breite der
Feststoflschüttung in drei verschiedenen FermenterBefen..........................................111
Abbildung 8-1 CHrProduktivität und Substratdurchsatz in Abhängigkeit der Verweilzeit einer
Charge im Fermenter bei Substraten ohne Attmaterialzugabe (Laborversuche).......136
Abbildung 8-2 Relative substratspezilische Methanausbeute bei verkürzter Chaigendauer sowie
GärrestanfaH bei Substraten ohne Altmaterialzugabe (Laborversuche).....................137
Abbildung 9-1 Unterteilung der für einen Konzentrationsausgleich in der Flüssigphase
verfügbaren Einzelfraktionen mit Veränderung der Gesamtflüssigvolumina über
eine Gärcharge n sowie Definition substratspezifischer Kennwerte...........................144
Abbildung 9-2 Änderung der Prozesswasserkonzentration über einen Durchlauf n sowie Endwert
bei unendlichef Gärzyklenanzahl (System mit Wasserverbrauch)..............................148
Abbildung 9-3 Leitfaden zur Prognose der resultierenden Gleichgewichtskonzentration (Cqq) im
Prozesswasser auf der Basis einfacher Gärtests........................................................150
Abbildung 9-4 Gleichgewichtskonzentration Cgg sowie maximale Zwischenkonzentrationen
Czw,™ am Beispiel zweier Perkctottankvolumina VP für unterschiedliche Substrate
(Säulen: Mittelwerte der Doppelansätze; Strecken: Einzelwerte)................................152
Abbildung 9-5 Prozesswasserkonzentration cp Ober Anzahl an Gärzyklen in Abhängigkeit des
Verhältnisses der Volumina Prozesswassertank VP und Feststoflfermenter V™ bei
Garmischung mit 23 Gew.-% TS Grassilage...............................................................152
Abbildung 10-1 Eignung organischer Fraktionen zur energetischen Nutzung durch Fest- oder
Flüssigvergärung...........................................................................................................154
Abbildung 13-1 Laborreaktor -fotografische Aufnahmen mit DetaHerButerungen..............................183
Abbildung 13-2 Feststoflvergärungslabor mit zehn Fermentem (inks) und Zugabe Prozesswasser
zu gefülltem Fermenter (rechts)....................................................................................183
Abbildung 13-3 Gefülter und leerer Fermenter (links); Lochblechboden mit Feinsieb zur
Materiateuflage (rechts oben); Berieselungskreuz an Deckel (rechts unten).............184
Abbildung 13-4 Schematische Darstellung der temperierten Lagerungseinrichtung für
Prozesswasser zwischen zwei Laborversuchsreihen..................................................185
Abbildung 13-5 Herstellung einer auf Gew.-%TS bezogenen Materialmischung aus drei
Ekizeftomponenten (A. B, C) bei vorgegebenem Soltvotumen...................................189
Abbildung 13-6 Verschließen befülter Fermenter (links) nach Abstützen Fütechüttung mit
Holzbohlen (rechts).......................................................................................................190
Abbildung 13-7 Vorrichtungen für Verrieselung von Prozesswasser durch perforiertes PVC-Rohr
an Fermentefdecke (linkes BM) sowie AnscNussvorrichtungen (Dr Spüluft-
Gebtase an Gebäuderückseite (rechtes Büd)...............................................................190
Abbildung 13-8 Autsetzen Substratmiete auf Kompostplane am Beispiel Maismischung und
Durchmischen mit Gerät nach Abbidung 13-9............................................................191
Abbildung 13-9 Mietenurrtsetzgeratzur Durchmischung von Subskatmieten......................................191
Abbildung 13-10 Schema der Messdatenerfassung (außer GasquaHatsanalyse) mittels Sensor-
Computer-InteffacesICPCON......................................................................................193
Abbildung 13-11 Gasquattatsanatysesystem der Praxisanlage..............................................................193
VII
Methanisierung stapelbarer Biomassen in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentationsanlagen
Abbildung 13-12 Konzentrationen an Gesamtfetlsäuren, Propionsäure und CSB sowie pH-Werte in
Prazesswasserproben von LV2 (Vergärung von Pferdemist).....................................197
Abbildung 13-13 Bestimmung des theoretisches Methanbildungspotenzials (GCH4jw) von Pferdemist
durch Extrapolation von Versuchsdaten in optimiertem Batchtest (fein gemahlenes
Versuchsgut, HBT, 37 °C, 3 Wiederholungen).............................................................197
Abbildung 13-14 Volumenbezogene Methanerträge sowie Bkxjasproduktionsraten in LV3
(Vergärung von Rinderfestmist)....................................................................................198
Abbildung 13-15 Methankonzentrationen sowie Bogasproduktionsraten in LV5 (Vergärung von
Grünschnitt)...................................................................................................................198
Abbildung 13-16 Konzentrationen an Stickstoff, CSB und oTS kl den Flüssigphasen von LV4 und
LV5b (Vergärung von Grünschnitt)...............................................................................199
Abbildung 13-17 Volumenbezogene CH4-Erträge sowie CH4-Produkt»nsraten in LV4 und LV5b
(perkoüerter und gefluteter Grünschnitt).......................................................................199
Abbildung 13-18 CHrKonzentrationen sowie Biogasproduktkxisraten in LV4 und LV5b (perkoferter
und gefluteter Grünschnitt)............................................................................................200
Abbildung 13-19 CSB-Konzentrafonen, oTS-Gehalte sowie Leitfähigkeiten und Salinitäten im
Prozesswasser in LV6 (perkolierte Mischungen aus Grassilage und Altmaterial)......200
Abbildung 13-20 Volumenbezogene Methanerträge und Methanproduklionsraten in LV6 (perkolierte
Mischungen mit Grassilage)..........................................................................................201
Abbildung 13-21 Methankonzentrationen sowie Biogasproduktkxisraten in LV6 (perkolierte
Reaktoren mit Grassilagemischungen)........................................................................201
Abbildung 13-22 Methanertrag der Komponente Grassilage in LV6 (Perkotaüon).................................202
Abbildung 13-23 Methankonzentrationen sowie Bogasproduktionsraten in LV7a (perkolierte
Mischungen aus Maissilage und Altmaterial)...............................................................202
Abbildung 13-24 Methanertrag der Komponente Maissilage in LV7a (Perkolation)...............................202
Abbildung 13-25 Konzentrationen an CSB, NH,-N, TKN sowie oTS im Prozesswasser LV7a
(perkoSerte Mischungen aus Maissilage und Altmaterial)............................................203
Abbildung 13-26 Fettsäurespektrurn im Prozesswasser LV8 (Mischungen mit 25 Gew.-% TS
Maissilage).....................................................................................................................203
Abbildung 13-27 Konzentralionen an Stickstoff, CSB und oTS im Prozesswasser von LV8
(Mischungen mit 25 Gew.-% TS Maissilage)...............................................................204
Abbildung 13-28 Volumenbezogene Methanerträge sowie MethanproduWionsraten in LV8
(Mischungen mit 25 Gew.-% TS Maissilage)...............................................................204
Abbildung 13-29 Biogasquaütat und Bogasproduktionsraten in LV8 (Mischungen m« 25 Gew.-% TS
Maissilage).....................................................................................................................205
Abbildung 13-30 FettsaurespeWtum im Ftozesswasser vwi LV9 (Mischungen rr* 15Gew.-%TS
Maissilage).....................................................................................................................205
Abbildung 13-31 Konzentrationen an Stickstoff, CSB und oTS im Prozesswasser von LV9
(Mischungen mit 15 Gew.-%TS Maissilage)...............................................................206
Abbildung 13-32 Volumenbezogene Methanertrage und Methanproduktionsraten in LV9
(Mischungen mit 15 Gew.-% TS Maissilage)...............................................................206
Abbildung 13-33 Methankonzentrationen im Biogas und Biogasproduktionsraten in LV9
(Mischungen mit 15 Gew.-% TS Maissilage)..............................................................207
Abbildung 13-34 CHrProdukBonsraten m LVIOa (Mischlingen rrit 20 Gew.-% TS Maissilage) bei
eigen- und mischperkoferten Fermentem................._.................................................207
AbbMung 13-35 pH-Werte im Prozesswassef LV10b(Fernienterm»Eip^r^uridMfecripert(Olation)..208
Abbildung 13-36 NH«-iWtonzentrationen im Prozesswasser LV10 (eigen- und rrfechperkolierte
Reaktoren).....................................................................................................................208
Abbildung 13-37 oT Gehalte im Prozesswasser LV10 (eigen- und rmschperkoierte Reaktoren)......209
Abbildung 13-38 CSB-l craBrftaSonenimFTOzesswasservonLV10(eigeivundmischpe*c«erlB
Fermenter).....................................................................................................................209
Abbildung 13-39 Auf Volumen der ReaktorRaungen bezogene Ergebnisse zu Abbidung 6-38...........210
Abbildung 13-40 CH,-ProduWionsraJen in LV10 (Detail zu rechtem Bad siehe Abbildung 1M1).........21°
Abbildung 13-41 oT tiezogene CHrProdukfionsraten der einzelnen Feststoflferrnenter in LV1Ob
bei ZuschaBung von Fefmeotem mit reiner Maisstege..............................................211
Abbidung 13-42 Subsftaaernperakiren in LV1 (Vergflnjng von PfenJemist)..........................................211
Abhildungs- und Tabellenverzeichnis
Abbildung 1*43 Substrattemperaturen in LV2 (Vergärung von Pferdemist)..........................................212
Abbildung 13-44 Substrattemperaturen in LV3 (Vergärung von Rinderfestmist)....................................212
Abbildung 13-45 Substrattemperaturen in LV4 (Vergärung von Grünschnitt)........................................213
Abbildung 13-46 Substrattemperaturen in LV5 (Vergärung von Grünschnitt)........................................213
Abbildung 13-47 Substrattemperaturen in LV6 (Vergärung von Grassilage)..........................................214
Abbildung 13-48 Substrattemperaturen in LV7 (Vergärung von Maissilage)..........................................214
Abbildung 13-49 Substrattemperaturen in LV8 (Mischungen mit 25 Gew.-% TS Maissilage................215
Abbildung 13-50 Substrattemperaturen in LV9 (Mischungen mit 15 Gew.-% TS Maissilage)...............215
Abbildung 13-51 Substrattemperaturen in LV10 (eigen- und mischperkoHerte Fermenter)...................216
Abbildung 13-52 Substrattemperatur in den zehn Einzelreaktoren in allen perkolierten
Versuchsansätzen LV1 bisLVIO..................................................................................216
Abbildung 13-53 Gemessener Methanertrag sowie Methangehalt im Biogas in PV3 (Mischung aus
38 Vol.-% Grassilage und 62 Vol.-% Altmaterial).........................................................217
Abbildung 13-54 Temperatur in der Feststoffschüttung und im Perkolattank im Verlauf von PV4
(Substratmischung mit 25 Gew.-% TS Maissilage)......................................................218
Abbildung 13-55 TS- und oTS-Gehalte im Gärrest aus PV6 (Substratmischung aus 60 Vol.-% Gras
und 40 Vol.-% Pferdemist, ohne Zugabe von Altmaterial) über die Höhe und Breite
der Feststoffschüttung in drei verschiedenen Fennentertiefen....................................218
Abbildung 13-56 Konzentrationen an Essig- und Propionsäure im Gärrest aus PV6 (60 Vol.-% Gras
+ 40 Vol.-% Pferdemist) über die Höhe und Breite der Feststoffschüttung................219
Abbildung 13-57 Konzentrationen an n-Buttersäure und Capronsäure im Gärrest PV6 (60 Vol.-%
Gras + 40 Vol.-% Pferdemist) über die Höhe und Breite der Schüttung.....................219
TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 3-1 Hauptgruppen von Bakterien des chemotrophen Stoffwechsels.....................................6
Tabelle 3-2 Vor- und Nachteile kontinuierliche und diskontinuieriiche Prozessführung...................14
Tabelle 4-1 Biogaserträge verschiedener Feststoffe bei Fermentation bei höheren TS-
Gehalten in Pilot- und Praxisanlagen.............................................................................33
Tabelle 5-1 Versuchsplan Laborversuche (FrM: Frischmaterial; AM: Altmaterial; PW:
Prozesswasser; LW: Leitungswasser)............................................................................39
Tabelle 5-2 Versuchsplan Praxisversuche (FrM: Frischmaterial; AM: Altmaterial)..........................45
Tabelle 6-1 Methanertrag der Komponente Pferdemist nach unterschiedichen Gärzeiten (FrM:
Frischmaterial).................................................................................................................60
Tabelle 6-2 Methanertrag der Komponente Rinderfestmist RM) in LV3 sowie mittlere
Biogasqualtät in sechs Wochen (StM: Strukturmaterial; AM: Altmaterial)....................62
Tabelle 6-3 Methanen^derKoinptxienteGnjnschnittsovœmMIereBiogaso^alitat
(Gesamtfermenter) innerhat) von sechs Wochen bei gefluteten und perkolierten
Ansätzen (LV4 und LV5).................................................................................................69
Tabelle 6-4 Methanertrag der Komponente Grassilage in den Mischungen LV6 sowie mittlere
BiogasquaMät (Gesamtfermenter) irmerhafc von sechs Wochen.................................72
Tabelle 6-5 Methanertrag der Komponente Maissilage in den Mischungen LV7a sowie mittlere
Biogasquaütät (Gesamtfermenter) mnemafc von sechs Wochen.................................76
Tabelle 6-6 Melhanertrag der Komponente Maissilage in LV7, LV8 und LV9 bei
unterschiedlichem Allmaterialtyp, unterschiecfcher Gärdauer und Variation der
Prozesswasserführung....................................................................................................82
Tabelle 6-7 Anteil des in der freien FlOssigphase produzierten Methans am Gesamtertrag...........91
Tabelle 6-8 tm Fermenter verbliebener Anteil des gesamten Methanertrags, LV1 bis LV10, nur
perkoferte Ansätze..........................................................................................................92
TabeHe7-1 TS- und oTS-Gehalte im Feststoff vor und nach der Vergärung im Praxis- und im
Labormaßstab für die Versuchsansatze m» Rindermist................................................97
Tabelle 7-2 TS-und oTS-Gehate an Feststoff vor und nach der Vergärung im Praxis- und im
Labormaßstab für die Versuchsansafee m» Grünschnitt.............................................100
IX
Methanisierung stapelbarer Biomassen in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentationsanlagen
Tabelle 7-3 Analysen des Gärrestes in PV5 (Substratmischung aus 60 Vol.-% Gras und
40 Vol.-% Pferdemist) im vorderen und hinteren Fermenterbereich nach Ausfall
der Berieselung im vorderen Teil..................................................................................108
Tabelle 8-1 Erforderlicher Mindestanteil an festem Impfmaterial sowie Organikdichte in
gärfähigen Mischungen kn Perkolationsverfahren (FrM: Frischmaterial)....................118
Tabelle 8-2 Berieselungsintensität von Laborversuchsansätzen mit gutem Gärerfolg bei einer
Berieselungshäufigkeit von 2 x 15min/d (FrM: Frischmaterial)....................................122
Tabelle 8-3 Maximale substratspezifische Methanerträge im Perkolationsverfahren bei einer
Gärdauer von 6 Wochen...............................................................................................129
Tabelle 8-4 oTS- und volumenbezogene ChVErträge von perkolierten Versuchsansätzen
(Labormaßstab) bei einer Gärzeit von 6 Wochen (FrM: Frischmaterial).....................132
Tabelle 8-5 Anfall von überschüssigem Gärrest bei Mischungen mit maximalem Gasertrag in
Laboruntersuchungen (GR: Gärrest; RV.netto: genutztes Reaktorvolumen).............134
Tabelle 8-6 Schüttgewicht und Organikdichte in parallelen Praxis- und Laborversuchen.............140
Tabelle 9-1 Berechnete Modellparameter sowie Modellergebnisse zur
Gleichgewichtskonzentrafion (cgg) im Prozesswasser für ausgewählte
Subsbatmischungen......................................................................................................151
Tabelle 10-1 Zum Einsatz in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentem geeignete
Substratmischungen mit Abschätzung der unter Praxisbedingungen erzielbaren
Raum-Zeit-Ausbeute.....................................................................................................157
Tabelle 10-2 Abschätzung der erforderlichen BHKW-Nennleistung sowie der Energieerzeugung
in diskontinuierlich betriebenen Feststofffermentem beim Einsatz von geeigneten
Substratmischungen......................................................................................................158
Tabelle 10-3 Arbeitszeitaufwand an der untersuchten Praxisanlage bei einer Gärdauer von 6
Wochen pro Charge......................................................................................................160
Tabelle 13-1 Beschreibung ausgewählter Analyseparameter in Fest- und Flüssigproben..............180
Tabelle 13-2 Probenmengen und Angaben zu Entnahme und gegebenenfalls Transport von
flüssigen und festen Proben bis zur Weiterverarbeitung nach Tabelle 13-3...............180
Tabelle 13-3 Übersicht zu Lagerung und Konservierung von Proben vorder Analyse...................181
Tabelle 13-4 Analysenverfahren für die Untersuchung von Prozesswasserproben........................181
Tabelle 13-5 Analysenverfahren für die Untersuchung von Feststoffproben...................................182
Tabelle 13-6 Messverfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse der Gasproduktion..........182
TabeHe13-7 Detailangaben zur Behandlung des Prozesswassers zwischen Versuchsreihen......185
Tabelle 13-8 Detaillierte Beschreibung der Versuchsansätze im Labormaßstab in Ergänzung zu
Tabelle 5-1 (FrM: Frischmateriai; AM: Altmaterial; PW: Prozesswassen LW:
Leitungswasser).............................................................................................................185
Tabelle 13-9 In Laborversuchen eingesetzte Substrate (PW: Prozesswasser; LW:
Leitungswasser).............................................................................................................187
Tabelle 13-10 Zugesetzte Flüssigkeitsvolumina in Laborversuchen (FrM: Frischmaterial; AM:
Altmaterial).....................................................................................................................188
Tabelle 13-11 MessstetenkennungderPraxisantage.........................................................................192
Tabelle13-12 Automatisiert erfasste Messparameter mit Gerate- und Messsignalespezifizienjng
(Praxisanlage)................................................................................................................192
Tabefle13-13 Detaillierte Beschnabung der Versuchsansätze kn Praxismaßstab in Ergänzung zu
Tabelle 5-2 (AM: Altmaterial).........................................................................................194
Tabelle 13-14 In Praxisversuchen eingesetzte Substrate...................................................................196
Tabelle 13-15 (»garftg^hafe und Schüttefichten in Latnrversuch^
Mischungen aus Frtschmaterial (FrM) und Allmaterial................................................1*
Tabelle 13-16 Organücgehalte und SchütMchten in LV3 (RM: Rmdertestmist S*l:
Strukturmaterial; AM: Altmaterial).................................................................................196
Tabelle 13-17 Anteil von Einzelkomponenten in Praxisversuchen in Vol.-% sowie Gew.-%.............217
Tabefle 13-18 Parameter der berechneten garfahigen Mischungen aus Stege. Gfünschnüt und
Altmaterial m» ausrechend Gärrestanfa».....................................................................222
|
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