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Stoffströme der Co-Vergärung in der Abwasserwirtschaft

Zeig, Carola :
Stoffströme der Co-Vergärung in der Abwasserwirtschaft.
Verein zur Förderung des Instituts IWAR der TU Darmstadt e.V., Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Stoffströme der Co-Vergärung in der Abwasserwirtschaft
Language: German
Abstract:

Die Planung und Optimierung von Co-Vergärungsprozessen steht vor dem Hintergrund der Energiewende im Fokus der siedlungswasserwirtschaftlichen Fachwelt. Aktuell sind auf vielen Kläranlagen freie Faulraumkapazitäten vorhanden, die generell für eine Mitbehandlung von Co-Substraten und damit für eine Steigerung der Methanproduktion geeignet sind. Durch gezielte Planung und Kalkulation kann die Umsetzung im infrastrukturellen Bestand optimiert werden. Dies trifft ebenfalls auf den Neubau von Ver- und Entsorgungseinheiten zu, deren Stoffströme während der Planungsphase an das vorhandene Siedlungsumfeld angepasst werden können. Die Bestimmung der freien Faulraumkapazität sowie die Auswahl der mitzubehandelnden Co-Substrate stellen die wesentlichen Schritte während der Planung und Optimierung von Co-Vergärungsprozessen zur Steigerung der Energieeffizienz dar. Hierzu ist eine ausreichende Kenntnis über die zur Verfügung stehenden Ressourcen und Handlungsspielräume erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese Handlungsspielräume aufbauend auf dem aktuellen Stand der Forschung zur Klärschlammfaulung und Co-Vergärung präzisiert. Da das primäre Ziel der Klärschlammfaulung die Stabilisierung des Klärschlamms ist, stellt die Gewährleistung stabiler Abbauprozesse eine der Grenzen des zu definierenden Handlungsspielraums dar. Im Rahmen der Arbeit wird anhand der Untersuchungsergebnisse der durchgeführten halb- und labortechnischen Versuchsreihen gezeigt, dass sich sowohl die organische Zusammensetzung von Rohschlamm und Co-Substraten als auch deren Abbaubarkeit voneinander unterscheiden. Die Abbaubarkeit der organischen Substanz hat einen direkten Einfluss auf die Konzentration der organischen Säuren im Faulbehälter, die während des Abbauprozesses gebildet und unter stabilen Betriebsbedingungen weiter zu Methan metabolisiert werden. Wird dem Faulbehälter ein Überangebot an abbaubarer organischer Substanz zugeführt, kommt es zu einem Anstieg der organischen Säurekonzentration und damit zu einer Beeinträchtigung der Prozessstabilität. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit ein Bemessungsparameter definiert, der zur Charakterisierung dieser Belastungsgrenze geeignet ist. Hierbei handelt es sich um die auf den CSB bezogene Raumumsatzleistung. Die CSB-Raumumsatzleistung kombiniert die CSB-Raumbelastung mit der Abbaubarkeit der organischen Substanz. Die Belastung von anaeroben Abbauprozessen durch die abbaubare organische Substanz von Substraten kann somit anhand der entsprechenden CSB-Raumumsatzleistung substratunabhängig abgebildet werden. Voraussetzung stellt die Kenntnis über die Substratzusammensetzung und deren Abbaubarkeit dar. Da es sich bei der Co-Vergärung um die gemeinsame Behandlung mehrerer Substrate handelt, spielt die Kalkulierbarkeit der zu erwartenden Raumumsatzleistung von Substratmischungen ebenfalls eine grundsätzliche Rolle, um die Raumumsatzleistung als Bemessungsparameter verwenden zu können. Anhand der Untersuchungsergebnisse wird die Korrelation des Abbauverhaltens von Einzelsubstraten und deren Substratmischungen nachgewiesen und eine entsprechende Rechenvorschrift definiert. Der Abbaugrad von Substratmischungen kann auf diese Weise aus dem CSB-Mischungsverhältnis und den CSB-Abbaugraden der Einzelsubstrate berechnet werden. Neben der zur Verfügung stehenden Faulraumkapazität wird der Handlungsspielraum bei der Planung und Optimierung von Co-Vergärungsprozessen durch weitere Faktoren eingegrenzt. Hierbei handelt es sich um die Sicherstellung der Stabilität weiterer Behandlungsstufen einer Kläranlage, die durch die Substratauswahl, die Festlegung des Mischungsverhältnisses und durch die Faulraumtemperatur beeinflusst werden kann. Durch die Mitbehandlung von Co-Substraten in der Klärschlammfaulung wird eine Steigerung der Methanproduktion angestrebt. Dies ist allerdings nur in einem Umfang sinnvoll, bei dem die gegebene Kapazität der betroffenen Behandlungsstufen ausreichend ist. Daher ist eine Kalkulation der zu erwartenden Gas- und Methanproduktion im Rahmen der Planung und Optimierung und damit bei der Auswahl der Co-Substrate und deren Mischungsverhältnissen notwendig. Basierend auf der organischen Zusammensetzung der Substrate bzw. Substratmischungen (bezogen auf CSB und TOC) kann die maximal erreichbare Gas- und Methanausbeute mittels Kohlenstoffbilanzierung berechnet werden. Unter Berücksichtigung der entsprechenden Abbaubarkeit ist es somit im Vorfeld einer geplanten Mitbehandlung von Co-Substraten in der Klärschlammfaulung möglich die zu erwartende Methanproduktion zu kalkulieren. Zudem werden basierend auf den Untersuchungsergebnissen (analog zum Abbaugrad) eine Korrelation der spezifischen Gas- bzw. Methanausbeuten der Einzelsubstrate und deren Substratmischungen nachgewiesen und eine entsprechende Rechenvorschrift definiert. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass durch eine Mitbehandlung von Küchen- und Kantinenabfällen oder Lebensmittelresten die Gasproduktion gesteigert und durch eine Mitbehandlung von Fäkalschlämmen reduziert wird. Die Einflüsse der Stoffströme der Co-Vergärung auf die gesamte Abwasserbehandlungsanlage setzen zudem bereits vor der anaeroben Behandlungsstufe an. Die Mitbehandlung von Co-Substraten in der Klärschlammfaulung unterliegt rechtlichen Rahmenbedingungen zur Genehmigung, die spezielle Anforderungen an die Beschaffenheit, Anlieferung und Vorbehandlung der Co-Substrate umfassen. Da bislang keine einheitlichen Vorgaben für Deutschland erlassen wurden, dienen unterschiedliche Regelwerke auf Landesebene der Orientierung hinsichtlich des Genehmigungsprozesses. Die Untersuchungsergebnisse dieser Arbeit können im Rahmen einer konkretisierenden Ausarbeitung der Regelwerke bzw. einer bundesweiten Vereinheitlichung herangezogen werden. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Ausgangssituation einer Kläranlage und der vorgestellten Handlungsspielräume stellt die Nutzung freier Faulraumkapazitäten zur Steigerung der Energieeffizienz von Kläranlagen eine wirtschaftliche Entscheidung dar. Die erzielten Ergebnisse bieten Handlungsempfehlungen zur Planung und Optimierung der Stoffströme der Co-Vergärung. Zudem können sie über den Rahmen der Abwasserwirtschaft hinaus Anwendung finden sowie als Grundlage für weitere Forschungen herangezogen werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Against the background of the energy transition, the planning and optimization of co-digestion processes move into the focus of urban water management experts. Many wastewater treatment plants have free digester capacities that, in general, can be used for the co-treatment of co-substrates in order to increase the methane production. By systematic planning and calculation, the infrastructural facilities can be optimized. This also applies to the construction of new supply and treatment units: In the planning phase, their material flows can be adjusted to the existing settlements structures. In planning and optimizing co-digestion processes, the essential steps are to increase the energy efficiency via the determination of free digester capacities and the selection of suitable co-substrates. For this purpose, sufficient knowledge of the available resources and scopes of action is required. In the context of this work, these scopes will be described on the basis of the current state of research on sludge digestion and co-digestion. Since the primary objective of sludge digestion is the stabilization of sewage sludge, one of the boundaries of the scope of action to be defined is to ensure stable degradation processes. As part of this work it is shown via the findings of the semi-technical and laboratory test series that both the organic composition of raw sludge and co-substrates and their degradation rates differ. The degradability of the organic substance directly influences the concentration of organic acids in the digester, produced during the degradation process and further metabolized to methane (under stable operating conditions). In case a surplus of degradable organic substance is fed into the digester, the organic acid concentration increases and impairs the process stability. One of the objectives of this work is therefore to define a design parameter that is suitable to characterize this load limit. The parameter in question is the converted COD volume load. The converted COD volume load combines the COD volume load and the degradability of the organic substance. The load of anaerobic degradation processes by the degradable organic substance can thus be described - independently of the respective substrate - using the corresponding converted COD volume load. Prerequisite is the knowledge of substrate composition and degradability. Since co-digestion is the combined treatment of several substrates, the calculability of the expected converted COD volume load of substrate mixtures is decisive for using the converted COD volume load as design parameter. Based on the findings, the correlation of the degradation behavior of single substrates and substrate mixtures is proven and the corresponding calculation rule is defined. This way, the degree of degradation of substrate mixtures can be calculated from the COD mixing ratio and the COD degradation rate of the individual substrates. Besides the available digester capacity, the scope of action in planning and optimization of co-digestion processes is limited by further factors: The stability of the other treatment steps of the wastewater treatment plant that is influenced by substrate selection, the definition of the mixing ratio and the digester temperature has to be ensured. One of the objectives of adding co-substrates to sewage sludge digestion is to increase the methane production. However, this is only sensible in those cases where the respective treatment capacities are sufficient. Therefore, during planning and optimization and when selecting co-substrates and mixing ratios it is necessary to calculate the expected gas and methane production. Based on the organic composition of the substrates resp. substrate mixtures (relating to COD and TOC), the maximum achievable gas and methane yield can be calculated by means of carbon balancing. Taking into account the corresponding degradability, it is therefore possible to calculate the expected methane production during the preliminary planning stages of the co-treatment of co-substrates in sewage sludge digestion. In addition and based on the findings (analog to the degree of degradation) a correlation of the specific gas or methane yields of single substrates and substrate mixtures is detected and a corresponding calculation rule is defined. The research results show that by co-treating kitchen and canteen waste or food waste gas production increases while it is reduced by co-treating fecal sludge. The material flows of co-digestion affect the overall system of the wastewater treatment plant well before the actual anaerobic treatment stage. The co-treatment of co-substrates in sewage sludge digestion is subject to legal conditions of approval, including specific requirements on the quality, delivery and pre-treatment of co-substrates. As to date there are no standardized guidelines in Germany, different sets of rules and standards at state level exist to serve as guideline for approval processes. The findings of this work can be used as part of specifying these rules and standards or preparing nationwide standardization. Taking into account the initial situation of the respective wastewater treatment plant and the described scopes of action, the use of free digester capacities for increasing its energy efficiency is an economic decision. The presented results provide recommendations for planning and optimizing material flows of co-digestion. They can also be used as basis for further research beyond the framework of wastewater management. English
Series Name: Schriftenreihe IWAR
Volume: 226
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Verein zur Förderung des Instituts IWAR der TU Darmstadt e.V.
Uncontrolled Keywords: Co-Vergärung, Co-Substrat, Kohlenstoffbilanzierung, CSB, Biogas, Methan, Bemessungsansatz
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
co-digestion, co-substrate, carbon balancing, COD, biogas, methane, design approachEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering
13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute IWAR
Date Deposited: 24 Sep 2014 11:11
Last Modified: 24 Sep 2014 11:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41558
Referees: Cornel, Prof. Peter and Bockreis, Prof. Anke
Refereed: 19 December 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4155
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