Biologische Behandlung von organische Stoffströmen
Wichtiges aus Vorlesungen und Theorie aus Klausuren
Wichtiges aus Vorlesungen und Theorie aus Klausuren
Zeichnung der Trapezmiete
links: Nachrotte, rechts: Intensivrotte
Möglichkeiten der Fermenterbeheizung
- Wärmeübertrager
- interne Heizung
- Doppelmantel
- Beheizung Frischmaterial
- externe Heizschlaufe
- Dampfeinpressen
Wie hoch ist der Kohlenstoffabbau
- bei der Kompostierung?
- bei der Vergärung?
- Kompostierung 40%
- Vergärung 76%
Zusammensetzung von Biogas
- Methan
- Kohlendioxid
- Stickstoff
- Sauerstoff
- Wasserstoff
- Schwefelwasserstoff
- Ammoniak
Warum ist eine Biogastrocknung notwendig
Biogas enthält Wasserdampf -> führt zu Kondensation, Korrosion und Abnahme des Wirkungsgrads
Verfahren zur Biogastrocknung
Kondensations-, Absorptions-, Adsorptionstrocknung
Verfahren zur Entschwefelung von Biogas
- chemisch-physikalisch: Fällung, Absorption, Adsorption, Oxidation, Druckwäsche
- biologisch: direkt im Fermenter, Biowäscher, Biofilter
Warum gibt es eine CO2-Abscheidung?
- Methan enthält bis zu 45% CO2
- beeiflusst u.a. die brenntechnischen Kenndaten Brennwert/Heizwert, Dichte und Wobbe-Index
Wie heißt das nach der CO2 - Abtrennung erhaltene Reingas?
Biomethan
Welche Einleitungsarten gibt es?
Direkte Einleitung (ins Gewässer), indirekte Einleitung (in die Kanalisation)
Welche Abwasserströme bei der biologischen Stoffstrombehandlung gibt es?
- Wasch-/Reinigungswasser
- Sicker-/Prozesswasser
- Vergärung -> Prozesswasser aus der Entwässerung
- Kompostierung -> Kondensat, Sickerwasser aus den Mieten
Welche Abwasserarten werden unterschieden?
- endogenes Prozess-/Sickerwasser (entsteht durch den biologischen Abbau)
- exogenes Prozess-/Sickerwasser (niederschlagsbedingt)
- Kondensate
- Eluate aus Niederschlagseinflüssen von Roh- und Fertigmaterialien
- Abwässer aus Verkehrsflächen
Definition Prozesswasser
ein nach dem Gärprozess anfallender Stoffstrom, der noch keiner Behandlung unterzogen wurde und verfahrensabhängig zum Teil in den Prozess zurückgeführt wird.
Definition Überschusswasser
ein Teil des Prozesswassers, das aus der Anlage als Abwasser ausgeschleust wird.
Anforderungen an Anlagen zur Prozesswasserbehandlung
- Technische Kriterien
- sichere Einhaltung der Grenzwerte
- geringer Reststoffanfall
- Betriebssicherheit
- Ausbaufähigkeit
- Betriebswirtschaftliche Kriterien
- geringe Investitionskosten
- niedrige Betriebskosten
- ökologische Kriterien
- geringer Energieverbrauch
- minimaler Flächenbedarf
- geringe gasförmige Emissionen
- möglichst geringer Einsatz von Betriebsstoffen
Verfahrenstechnische Unterscheidungsmerkmale
Wassergehalt im Reaktor, Temperatur, Prozessführung
Vergleich Nassfermentation und Trockenfermentation
Vorteile/Nachteile
Vergleich Vergärung und Kompostierung von Bioabfall
Vergleich
Verfahren zur Methananreicherung
Verfahren
Kreislaufführung von Prozesswasser auf Vergärungsanlagen
Kreislauf
Geben Sie die typische Zusammensetzung von Bioabfällen aus Haushalten in Deutschland an.
Bioabfall
Nennen Sie die wesentlichen Einflussfaktoren auf den biologischen Abbau.
Feuchte, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential, Nährstoffgehalt, Spurenelemente und Vitamine, Hemmstoffe
Nennen Sie fünf relevante Unterscheidungsmerkmale der Kompostierungsverfahren
Gestaltung des Rotteraums, Mietengeometrie, Art der Belüftung, Dauer der Intensivrotte, Art des Eintrags- und Umsetzungssystems
Erläutern Sie den Begriff Wasseraktivität (aw -Wert).
Anteil des für die biochemische Reaktionen verfügbaren Wassers
Wie hoch ist der prozentuale Anteil der Umsetzung von Kohlenstoff in Biomasse bei der Kompostierung und wie
hoch bei der Vergärung?
50 % bei der Kompostierung, 10 % bei der Vergärung
Definieren sie den Begriff Rottegrad. Geben sie die Maximaltemperaturen der 5 Rottegrade an.
Der Rottegrad gibt den Anteil der Umsetzung der biologisch leicht abbaubaren organischen Substanz an.
Warum muss bei der Kompostierung auf einen ausgewogenen Wassergehalt geachtet werden (3-Phasensystem)?
Zu trocken: Hemmung des Stofftransports; Zu nass: schlechte O 2 -Versorgung
Welche Funktion hat eine Nachrotte und wie wird sie bemessen?
- Erzeugung von Fertigkompost aus Frischkompost
- Umsetzung von schwer abbaubaren Substanzen wie Lignin
- Stabilisierung der organischen Substanz
- Bemessung über Volumenströme und Rottezeit
In welchen drei Stufen vollzieht sich der vollständig aerobe Abbau organsicher Verbindungen zu CO2 und H2O?
- Zerlegung großer Moleküle durch Hydrolyse mittels extrazellulärer Enzyme
- Oxidation des organischen Kohlenstoffs und Wasserstoffentzug
- Oxidation des Wasserstoffs mit einem externen Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff)
Nennen und erläutern Sie die vier Stufen des anaeroben Abbaus.
I Stufe Hydrolyse: Zerlegung der Makromoleküle in niedermolekulare Bestandteile durch extrazelluläre Enzyme
II Stufe Vergärung/Versauerung: Abbau von Monomere und Dimeren; Abbauprodukte: organ. Säuren, Alkohol, Kohlendioxid,Wasserstoff
III Stufe Acetogenese: Umsetzung der organischen Säuren und Alkohole zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff
IV Stufe Methanisierung: Umsetzung der Essigsäure und des Kohlendioxids mit molekularem H zu Methan
Welcher Verordnung unterliegt das Inverkehrbringen von Bioabfällen zu düngemittelrechtlich relevanten Zwecken?
Düngemittelverordnung- DüngemittelVO
Erläutern Sie den Begriff „Wirtschaftsdünger“ und geben sie die TS-Gehalte der verschiedenen Arten von Wirtschaftsdünger an.
Wirtschaftsdünger sind tierische Ausscheidungen, die im Rahmen der Tierhaltung anfallen. Unterscheidung je nach TS- Gehalt in: Jauche (1-3 %), Gülle (2,5-11 %), Festmist (11-25 %)
Benennen Sie die Ursache eines stark ammoniakhaltigen Geruchs bei einer Intensivrotte. Welche Gegenmaßnahmen kann man treffen?
- Zu hoher N-Gehalt kann nicht in Biomasse umgesetzt werden
- NH 3 -Freisetzung
- Anaerobe Zustände, zu wenig Luft, Luftdurchsatz
- Gegenmaßnahmen: C:N-Verhältnis, Verfügbarkeit, Substratvorbehandlung
Welche Auswirkungen und Folgen hat der starke Zuwachs an landwirtschaftlichen Biogasanlagen?
- Flächenkonkurrenz zwischen den NaWaRo-Anbau und dem Anbau von Grundstoffen der Lebensmittelherstellung
- Vermehrter N-Eintrag in die Böden; insbesondere in Gegenden mit extensiver Viehhaltung, da bei der Fermentation keine N-Fixierung der MO erfolgt
Welche Verordnung regelt die biologische Abfallbehandlung?
Bioabfallverordnung - BioAbfV
Charakterisieren Sie einen Bioabfall anhand von 6 wesentlcihen Parametern.
Wassergehalt, C:N-Verhältnis, Störstoffanteil, Glühverlust, Schüttdichte/Porosität, Spurenstoffe, Schadstoffe
Welche verfahrenstechnischen Unterschiede existieren bei der Nassfermentation von NaWaRo’s im Vergleich zur
Nassfermentation von Bioabfällen?
Vergärungsstufe, Verweilzeit, Raumbelastung
Zeichnen Sie den qualitativen Temperaturverlauf des Kompostierungsprozesses ein und ordnen Sie die Temperaturbereiche den Kompostierungsphasen zu.
Temperaturverlauf
Nennen sie zu den aufgeführten Kompostierungssystemen jeweils zwei Verfahrensbeispiele.
Verfahrensbeispiele
Wo findet die organische Stoffstrombehandlung Anwendung?
- im Rahmen der Abfallbehandlung
- in Rahmen der Landwirtschaft
- im Rahmen der energetischen Nutzung
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Cartes-fiches
Geben Sie die typische Zusammensetzung von Bioabfällen aus Haushalten in Deutschland an.
Bioabfall
Nennen Sie die wesentlichen Einflussfaktoren auf den biologischen Abbau.
Feuchte, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential, Nährstoffgehalt, Spurenelemente und Vitamine, Hemmstoffe
Nennen Sie fünf relevante Unterscheidungsmerkmale der Kompostierungsverfahren
Gestaltung des Rotteraums, Mietengeometrie, Art der Belüftung, Dauer der Intensivrotte, Art des Eintrags- und Umsetzungssystems
Erläutern Sie den Begriff Wasseraktivität (aw -Wert).
Anteil des für die biochemische Reaktionen verfügbaren Wassers
Wie hoch ist der prozentuale Anteil der Umsetzung von Kohlenstoff in Biomasse bei der Kompostierung und wie
hoch bei der Vergärung?
50 % bei der Kompostierung, 10 % bei der Vergärung
Definieren sie den Begriff Rottegrad. Geben sie die Maximaltemperaturen der 5 Rottegrade an.
Der Rottegrad gibt den Anteil der Umsetzung der biologisch leicht abbaubaren organischen Substanz an.
Warum muss bei der Kompostierung auf einen ausgewogenen Wassergehalt geachtet werden (3-Phasensystem)?
Zu trocken: Hemmung des Stofftransports; Zu nass: schlechte O 2 -Versorgung
Welche Funktion hat eine Nachrotte und wie wird sie bemessen?
- Erzeugung von Fertigkompost aus Frischkompost
- Umsetzung von schwer abbaubaren Substanzen wie Lignin
- Stabilisierung der organischen Substanz
- Bemessung über Volumenströme und Rottezeit
In welchen drei Stufen vollzieht sich der vollständig aerobe Abbau organsicher Verbindungen zu CO2 und H2O?
- Zerlegung großer Moleküle durch Hydrolyse mittels extrazellulärer Enzyme
- Oxidation des organischen Kohlenstoffs und Wasserstoffentzug
- Oxidation des Wasserstoffs mit einem externen Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff)
Nennen und erläutern Sie die vier Stufen des anaeroben Abbaus.
I Stufe Hydrolyse: Zerlegung der Makromoleküle in niedermolekulare Bestandteile durch extrazelluläre Enzyme
II Stufe Vergärung/Versauerung: Abbau von Monomere und Dimeren; Abbauprodukte: organ. Säuren, Alkohol, Kohlendioxid,Wasserstoff
III Stufe Acetogenese: Umsetzung der organischen Säuren und Alkohole zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff
IV Stufe Methanisierung: Umsetzung der Essigsäure und des Kohlendioxids mit molekularem H zu Methan
Welcher Verordnung unterliegt das Inverkehrbringen von Bioabfällen zu düngemittelrechtlich relevanten Zwecken?
Düngemittelverordnung- DüngemittelVO
Erläutern Sie den Begriff „Wirtschaftsdünger“ und geben sie die TS-Gehalte der verschiedenen Arten von Wirtschaftsdünger an.
Wirtschaftsdünger sind tierische Ausscheidungen, die im Rahmen der Tierhaltung anfallen. Unterscheidung je nach TS- Gehalt in: Jauche (1-3 %), Gülle (2,5-11 %), Festmist (11-25 %)
Benennen Sie die Ursache eines stark ammoniakhaltigen Geruchs bei einer Intensivrotte. Welche Gegenmaßnahmen kann man treffen?
- Zu hoher N-Gehalt kann nicht in Biomasse umgesetzt werden
- NH 3 -Freisetzung
- Anaerobe Zustände, zu wenig Luft, Luftdurchsatz
- Gegenmaßnahmen: C:N-Verhältnis, Verfügbarkeit, Substratvorbehandlung
Welche Auswirkungen und Folgen hat der starke Zuwachs an landwirtschaftlichen Biogasanlagen?
- Flächenkonkurrenz zwischen den NaWaRo-Anbau und dem Anbau von Grundstoffen der Lebensmittelherstellung
- Vermehrter N-Eintrag in die Böden; insbesondere in Gegenden mit extensiver Viehhaltung, da bei der Fermentation keine N-Fixierung der MO erfolgt
Welche Verordnung regelt die biologische Abfallbehandlung?
Bioabfallverordnung - BioAbfV
Charakterisieren Sie einen Bioabfall anhand von 6 wesentlcihen Parametern.
Wassergehalt, C:N-Verhältnis, Störstoffanteil, Glühverlust, Schüttdichte/Porosität, Spurenstoffe, Schadstoffe
Welche verfahrenstechnischen Unterschiede existieren bei der Nassfermentation von NaWaRo’s im Vergleich zur
Nassfermentation von Bioabfällen?
Vergärungsstufe, Verweilzeit, Raumbelastung
Zeichnen Sie den qualitativen Temperaturverlauf des Kompostierungsprozesses ein und ordnen Sie die Temperaturbereiche den Kompostierungsphasen zu.
Temperaturverlauf
Nennen sie zu den aufgeführten Kompostierungssystemen jeweils zwei Verfahrensbeispiele.
Verfahrensbeispiele
Wo findet die organische Stoffstrombehandlung Anwendung?
- im Rahmen der Abfallbehandlung
- in Rahmen der Landwirtschaft
- im Rahmen der energetischen Nutzung
Welche Ziele verfolgt die biologische Abfallbehandlung?
- Stablisierung der organ. Abfalle durch Reduzierung der leicht abbaubaren Substanzen bei gleichzeitigem Aufbau humusartiger Verbindungen
- Hygenisierung der Abfälle durch Nutzung der bei den exothermen Abbauvorgängen entstehenden Wärme
- Rückführung nativ-organischer Abfälle als humus-ähnliches Substrat in den natürlichen Stoffkreislauf
- Erzeugung eines vermarktbaren Produktes (Kompost)
Warum ist Mais die überragende Biogaskultur?
- höchste Biomasseerträge je Hektar -> höchste Methanerträge
- weites Sortenspektrum je nach Standort und Fruchtfolgestellung verfügbar
- bekannte und optimierte Produktionstechnik mit hoher Schlagkraft verfügbar
- gute Verwertbarkeit von Wirtschaftsdüngern
- flexible Nutzbarkeit
- selbstverträglich
Milieuanforderungen an die Vergärung
Vergärung
Wesentliche Neuerung der EU-Abfallrahmenrichtlinie
5-Stufige statt 3-stufige Abfallhierarchie: Vermeidung, Vorbereitung zur Wiederverwendung, Recycling, sonstige Verwertung, Beseitigung
Erneuerbare-Energien-Gesetz EEG
Zweck dieses Gesetzes ist es, (...), fossile Energieressourcen zu schonen und die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien zu fördern.
Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromversorgung mindestens zu erhöhen auf 80 % bis zum Jahr 2050
Welche Abfälle sind gut vergärbar?
Speise-, Gaststätten, Schlachtabfälle
Welche Organismen sind bei Abbauvorgängen bei der Kompostierung von besonderer Bedeutung?
chemoorgano-heterotrophe Organismen
Organismen des aeroben Stoffumbaus
- Bakterien leisten den überwiegenden Teil der Umsetzungsprozesse
- spezielle Pilzarten setzen schwer abbaubare Verbindungen um
- Würmer, Insekten und Spinnentiere treten erst in der letzten Phase des Rotteprozesses auf -> Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften des reifen Kompostes
Definition Trockenrückstand
Der Trockenrückstand beschreibt die Verteilung von Wasser und Feststoff innerhalb der Gesamtmasse. TS ungleich TR!
Definition Glühverlust
Der Glühverlust beschreibt die Verteilung von organischer Trockensubstanz und anorganischer Trockensubstanz innerhalb der Gesamttrockenmasse.
Über welche 4 Steuergrößen ist die Kompostqualität beeinflussbar?
- Materialmischung der Ausgangsmaterialien
- Steuerung des Wasserhaushaltes
- Sauerstoffversorgung des rottenden Materials
- Steuerung der Rottetemperatur
Welche Hemmstoffe gibt es?
- Sauerstoff
- Schwefelwasserstoff
- Flücht. Fettsäuren
- Ammoniumstickstoff
- Desinfektionsmittel
4 Phasen des anaeroben Umsatzes
- Hydrolyse Phase
- Versäuerungsphase
- Acetogene Phase
- Methanogene Phase
Kompostierungsphasen bzgl. der Temperatur
- Anfangs- oder Initialphase (Abbauphase): starke Vermehrung mesophiler Organismen; Absenkung des pH-Wertes (Ansäuerung)
- Thermophile Phase (Abbauphase) : starke Vermehrung thermophiler Organismen ; hoher Abbaugrad in einem Temperaturbereich von 45 - 55°C ; weiterer Temperaturanstieg bis 75°C; Abnahme der Organismenanzahl (Verlust der mesophilen Organismen); Erhöhung des pH-Wertes
- Abkühlphase (Umbauphase): Temperaturen sinken unter 45°C -> mesophile Bakterien und Pilzarten werden aktiv; Je nach Kompostierungsverfahren hält diese Phase mehrere Wochen an.
- Reifephase (Aufbauphase): Weitere Abkühlung, Besiedlung durch Bodentiere (Zerkleinerung von Pflanzenteilen, Durchmischung und Durchlüftung des Substrates, Stabilisierung der Humusstoffe);Bildung von Ton-Humus-Komplexen; Beginn der Mineralisation
Zeichnung der Trapezmiete
links: Nachrotte, rechts: Intensivrotte
Möglichkeiten der Fermenterbeheizung
- Wärmeübertrager
- interne Heizung
- Doppelmantel
- Beheizung Frischmaterial
- externe Heizschlaufe
- Dampfeinpressen
Wie hoch ist der Kohlenstoffabbau
- bei der Kompostierung?
- bei der Vergärung?
- Kompostierung 40%
- Vergärung 76%
Zusammensetzung von Biogas
- Methan
- Kohlendioxid
- Stickstoff
- Sauerstoff
- Wasserstoff
- Schwefelwasserstoff
- Ammoniak
Warum ist eine Biogastrocknung notwendig
Biogas enthält Wasserdampf -> führt zu Kondensation, Korrosion und Abnahme des Wirkungsgrads
Verfahren zur Biogastrocknung
Kondensations-, Absorptions-, Adsorptionstrocknung
