Biologische Behandlung
Biologische Behandlung Abfallströme Theorie RWTH aachen
Biologische Behandlung Abfallströme Theorie RWTH aachen
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Lernkarten
Anwendungsfelder der organischen Stoffstrombehandlung
Abfallbehandlung
Landwirtschaft
Energetische Nutzung von NaWaRo
Bioabfälle (gemäß BioAbfV)
● Abfälle tierischer oder pflanzlicher Herkunft zur Verwertung
● Können durch Mikroorganismen, bodenbürtige Lebewesen oder Enzyme abgebaut werden
● Insbesondere die in Anhang 1 Nr. 1 (BioAbfV) genannten Abfälle.
● Pflanzenreste, die auf forst- oder landwirtschaftlich genutzten Flächen anfallen und auf diesen Flächen verbleiben, sind keine Bioabfälle.
Wirtschaftsdünger
● Tierische Ausscheidungen (Gülle, Jauche, Stallmist) sowie Stroh und ähnliche Nebenerzeugnisse aus der landwirtschaftlichen Produktion
Nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo)
● Organische Stoffe pflanzlichen oder tierischen Ursprungs
● Werden ganz oder in Teilen als Rohstoffe für die Industrie oder als Energieträger genutzt
● erneuern sie sich jährlich oder in überschaubaren Zeiträumen (im Gegensatz zu fossilen Energieträgern)
Zielsetzung der biologischen Abfallbehandlung
Stabilisierung der org. Abfälle
Hygienisierung der Abfälle
Rückführung nativ-organischer Abfälle als humus-ähnliches Substrat in den natürlichen Stoffkreislauf
Erzeugung eines vermarktbaren Produktes (Kompost)
Zielsetzung der Wirtschaftsdüngerbehandlung
Verbesserung technologischer Eigenschaften wie Konsistenz, Fließ-, Ablauf- und Infiltrationsverhalten
Verbesserung der Nährstoffwirkung und –ausnutzung
Reduktion von gasförmigen und flüssigen Nährstoffverlusten
Minderung der Geruchsproblematik
Biologische Stoffstrombehandlung
2 grobe Hauptwege
Abbau organischer Substanzen durch verschiedene Mikroorganismen
unter Luftzufuhr -> Kompostierung
unter Luftabschluss .> Vergärung
Reduktion der ursprünglichen organischen Stoffe und ggf. Nutzung der darin enthaltenen Energie
Biomasse (Definition gemäß BiomasseV)
Biomasse: sämtliche Stoffe organischer Herkunft (d. h. kohlenstoffhaltige Materie)
Biomasseentstehung
Biomassebildung durch Photosynthese (direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Energie)
Primärreaktion: Umwandlung von CO2 und H2O in Kohlenhydrate (C6H12O6 ) und O2
Frage kommenden Siedlungsabfälle für Biologische Behandlung
Gartenabfälle und Parkabfälle
Marktabfälle
Straßenkehricht
Klärschlämme
Fäkalschlämme
Bestandteile des (häuslichen) Bioabfalls
Grüngut, Obst , Gemüse, Südfrüchte Speisereste > 90 %
Papier 3,7
Feingut < 25mm (kaffe ,nudeln...) 2,1
Störstoffe
Wovon sind die Schwankungen bei der Zusammensetzung der Bioabfälle in Abhängig ?
der Jahreszeit,
● der Wohn- und Bevölkerungsstruktur,
● der Anschlussdauer des Sammelgebietes,
● der erfolgten (oder nicht erfolgten) Öffentlichkeitsarbeit
● und dem Sammelsystem
Störstoffanteil von Bioabfällen
Störstoffe
● wesentliches Kriterium für die Vermarktung
● Anteil etwa 3 bis 8% der Feuchtmasse
● Störstoffe sind
● Kunststoff
● Eisen- und Nichteisenmetalle
● Papier- und Pappverbunde
● Textilien
● Glas
● Holz
● Knochen
Parameter zur Charakterisierung von Bioabfällen
Wassergehalt / Trockensubstanz Abbauprozesse
Organische Substanz / Glühverlust Abbauprozesse
Schüttdichte / Porosität Abbauprozesse
C:N-Verhältnis Ideal 20-30:1
Gehalt an Spurenstoffen Düngewirkung
Störstoffanteil Glas, Plastik etc.
Schadstoffgehalt Schwermetalle, AOX, Dioxine etc.
Eignung organischer Reststoffe für die Kompostierung bzw. die Vergärung
Hoher Wassergehalt und geringe Strucktur ---> kompostierung
Geringer Wassergehalt und Hohe Strucktur -----> Vergärung
deutschen Anlagen zur Bioabfallvergärung
Derzeit 113 Anlagen in Betrieb mit mind. 5.000 Mg/a Input an Bioabfällen
Wirtschaftsdünger unterteilung
Jauche Gülle Festmist
ist Gülle Abfall?
Gülle = Abfall ---> Behandelet gülle unterliegt Abfall + Düngerecht
- hoher TS-Gehalt bis > 10 % (Festmist bis 25 %)
- Wert des Wasseranteils = 5 % am Gesamtwert der Gülle
- wertgebend: Nährstoffe, Organik
Bedeutung des Stoffstromes Wirtschaftsdünger
Wirtschaftsdünger [Mio. m³] 191
gesammelter Bioabfall [Mio. Mg] 10,7
Klärschlamm (30% TS) [Mio. Mg 6
----> mit abstand größter Stoffstrom
Bestandteile von Wirtschaftsdüngern
> 90% Wasser
organische Substanz
Nährstoffe Schadstoffe (N,P,K,Mg)
Schadstoffe (N,P,K,Mg) (Schwermetalle, Arzneimittel, Pestizide, pathogene Keime)
„Störstoffe“/ Mineralisches (Einstreu, Steine, Futtermittelreste)
Einsatz von Arzneimitteln, insbes. Antibiotika ----> Risiken Bei Wirtschaftsdünger
1. als Tierarzneimittel: Therapie und Prophylaxe (kein Verbot durchsetzbar)
2. als Futterzusatzstoff „Ertragssteigerung“/Wachstumsförderer ---> eigentlich verboten
Wirtschaftsdünger oft erheblich (mg/kg) mit Antibiotika belastet
Risiken ● Akkumulation resistenter Erreger in der Gülle ● Eintrag resistenter Keime und persistenter Antibiotika in die Böden und das Grundwasser Übergang auf den Menschen ● geringer Eintrag in Pflanzen Übergang auf den Menschen ● Problematik der Resistenz- und Kreuzresistenzbildung: Mutation/Weitergabe von Informationen zwischen ähnlichen Bakterienstämmen ● Betriebsstörungen in Biogasanlagen
Energiepflanzen zur Biogaserzeugung
Mais und Maissilage ----> höchster Biogaserstrag besteht hs aus Wasser + Stärke
Raps
Grassilage
Roggen
Gerste
Futterrüben
Sudangras
Warum ist Mais die überragende Biogas-Kultur ?
höchste Biomasseerträge je Hektar höchste Methanerträge
weites Sortenspektrum je nach Standort und Fruchtfolgestellung verfügbar z.B. etwas spätere Sorten für Biogasnutzung empfohlen auch als Zweitfrucht nutzbar
bekannte und optimierte Produktionstechnik mit hoher Schlagkraft verfügbar
gute Verwertbarkeit von Wirtschaftsdüngern
flexible Nutzbarkeit
selbstverträglich
Energie aus Wirtschaftsdüngern warum sinnvoll?
Gülle ist ein organisch hoch belasteter Stoffstrom => Methangewinnung sinnvoll
( Kupfer , Zinn werte überschritten etc... )
Biologische Abfallbehandlung - Einteilung
Aerobe Behandlung Kompostierung oder Rotte Einstufige und mehrstufige Verfahren unter Luftzufuhr
Anaerobe Behandlung Vergärung Einstufige und mehrstufige Verfahren unter Luftabschluss
Eignung organischer Reststoffe für die Kompostierung bzw. die Vergärung
Aerober Abbau bzw. Umbau organischer Substanzen
Verbleib eines reduzierten Organikanteils
Entstehung von H2O, CO2 und Wärme
Verringerung des Gehalts an pathogenen Mikroorganismen
Reduktion von Volumen, Gewicht, Geruchspotential und Wassergehalt
Organismen des aeroben Stoffabbaus
Bakterien, Actinomyceten, Pilze, und Metazoen
Mikroorganismen der Kompostierung
Je nach Wachstumsbedingungen wechseln sich verschiedene Populationen ab. Manche Bakterien (z. T. auch Krankheitserreger) sind in der Lage, unter ungünstigen Bedingungen Dauerformen (Endosporen) zu bilden, mit Resistenz gegenüber ● Austrocknung ● Hohen Temperaturen ● Strahlung ● Desinfektion
Einflussfaktoren für den biologischen Abbau (kompostierung aerob
Wassergehalt (40 – 50 % Feuchte)
pH-Wert
Temperatur
Nährstoffe und Spurenelemente
Redoxpotential (Oxidation/Reduktion)
Abwesenheit von Hemmstoffen
Einflussfaktoren – physikalische Bedingungen kompostierung aerob)
pH – Wert: neutraler Bereich optimal ● 6,5-8,5
Belüftung: ausreichende Belüftung muss u.a. durch Umsetzen gewährleistet sein, da Sauerstoff als Reaktionspartner erforderlich ist
Einflussfaktoren - Temperatur
15-50 °C für Bioprozesse optimal ●
Zu niedrige Temperaturen Stoffwechselprozesse verlangsamt
● Temperaturen über 50-60 °C Proteine der meisten Organismen denaturieren
Einfluss auf die Temperatur ● Chemische Zusammensetzung ● Wassergehalt (aw -Wert) ● Partikelgröße ● Sauerstoffversorgung ● Umsetzhäufigkeit ● Ableiten von Wärme durch Verdunsten (90%)
Einflussfaktoren – Nährstoffe und Spurenelemente
Hauptbestandteil von Biomüll = Hauptbestandteile von Lebewesen ● C, O, H, N, P, S, Ca, Mg, K ● Spurenelemente: Cl, Na, Fe, Mn, Cu
In Bioabfällen sind größere Mengen an Gerüstsubstanzen (Holz, Cellulose etc.) enthalten Nährstoffe stehen z.T. nicht ausreichend für einen weitgehenden biologischen Abbau zur Verfügung (z.B. zu niedriges C/N-Verhältnis)
Abbau organischer Verbindungen durch Mikroorganismen
warum ?
was nimmt einfluss darrauf?
Endproukte?
Die Triebfeder für den Abbau organischer Verbindungen ist die Energiegewinnung. Energie, die sie zur Vermehrung benötigen. Bis zu welchem Grad der Abbau erfolgt, ist abhängig von ● der Art der abzubauenden Substanz, ● den Organismen, ● den Milieubedingungen. Findet ein vollständiger Abbau der organischen Verbindungen statt (Mineralisation), sind die Endprodukte CO2 , H2O und Mineralsalze.
Abbauvorgänge bei der Kompostierung
welche organisem von bedeutung
Energie /kohlenstoffquelle + Elektronendonator
Bei der Kompostierung handelt es sich um einen aeroben Prozess
Dabei sind insbesondere chemo-organo-heterotrophe Organismen von Bedeutung
● Energiequelle: organische Verbindungen (gelöster organischer Kohlenstoff) ● Kohlenstoffquelle: organische Verbindungen (gelöster organischer Kohlenstoff) ● Elektronendonator: organische Verbindungen (gelöster organischer Kohlenstoff)
Mineralisation
Der vollständige Abbau organischer Substanzen bis zum CO2 und H2O erfolgt in 3 Stufen:
● Zerlegung großer Moleküle durch Hydrolyse mittels Enzymen
● Oxidation des organischen Kohlenstoffs und Wasserstoffentzug
● Oxidation des Wasserstoffs mit einem externen Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff)
Anaerober Abbau
Anaerobe, energieliefernde Prozesse, bei denen einem organischen Substrat (z.B. Glucose) Elektronen entzogen und auf einen organischen Akzeptor (NAD/NADP) übertragen werden
ATP-Bildung auf Substratkettenphosphorylierung beschränkt
Atmungskette und Zitronensäurezyklus fehlen
anerobe System vergleich zu aeroben System
Substratumsatz von Anaerobiern muss bedeutend größer sein, um adäquate Energiemengen zu erzeugen Biomasseproduktion: anaerobe Systeme << aerobe Systeme
Mehrstufiger Abbau von Biomasse und Gasbildung
1. Stufe Hydrolyse
Zerlegung der Makromoleküle in niedermolekulare Bestandteile durch Enzyme.
2. Stufe Vergärung/Versäuerung
Mono- und Dimere werden von den gleichen Mikroorganismen aufgenommen und weiter abgebaut. Hauptteil der Abbauprodukte sind Acetat, Propionat, Butyrat, Milchsäure, Alkohol, CO2 und H2 . Die Konzentration des intermediär gebildeten H2 bestimmt die Art der Gärprodukte.
3. Stufe Acetogenese
Die gebildeten organischen Säuren und Alkohole werden zu CH3COOH, H2 und CO2 umgewandelt. Die Acetogenese ist der thermodynamisch schwierigste Reaktionsschritt. Die Reaktionen können nur dann exotherm verlaufen, wenn der H2 -Partialdruck sehr niedrig ist. An der Acetogenese sind ausschließlich spezielle obligat anaerobe Mikroorganismen beteiligt.
4. Stufe Methanbildung
Die obligat anaeroben Methanbildner setzen CH3COOH und das CO2 mit molekularem H zu CH4 um. Die Methanbildner sorgen somit für niedrige HPartialdrücke. Es besteht eine enge Symbiose zwischen H-produzierenden und H-verbrauchenden Bakterien.
Gärstoffwechsel
Fakultativ und obligat anaerobe MO
Wichtigste Energie liefernde Reaktion: Glucosespaltung
Nach der Glucosespaltung: Reduzierung des Zwischenprodukts Pyruvat direkt oder nach der Bildung weiterer Intermediärprodukte
Beim Gärstoffwechsel geringer Energiegewinn, Energie liefernde Reaktionen der Atmungskette können nicht durchlaufen werden
Enzyme der Methanbildung
Methylcobalamin --> Übertragung der Methylgruppe bei der Methanbildung aus der Acetatspaltung
Co-Enzym M Mercaptoethansulfonsäure ---> Transport der Methylgruppe bei der reduktiven Methanbildung aus CO2 und H2
Tetrahydrofolsäure (THF) ---> Übertragung von C1 Fragmenten nicht vollständig geklärt
NADP ----> Übertragung des H2 zur Reduzierung der Carboxylgruppe (Methanbaustein aus CO2 und H2 )
