Untersuchung des Spurenelementbedarfs eines Rieselbettreaktors zur biologischen Methanisierung

Abstract

Bei der biologischen Abwasserreinigung anfallende Schlämme müssen, um sie lagerfähig zu machen und Geruchsemissionen zu vermeiden, aerob (durch Belüften) oder anaerob (durch Faulung unter Sauerstoffausschluss) stabilisiert werden. Der in Kläranlagen anfallende Rohschlamm, eine Mischung aus Primär- und Sekundär- (Überschuss)schlamm, wird im zweiten Fall unter anaeroben Bedingungen bei etwa 38°C umgesetzt. Das dabei entstehende Gas besteht in etwa aus zwei Dritteln Methan (CH4) und einem Drittel Kohlenstoffdioxid (CO2), sowie Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserdampf und Spurengasen.Für die Verwendung als Treibstoff für Fahrzeuge oder die Einleitung in das Gasnetzwerk sind jedoch höhere Methangehalte vonnöten. Um dies zu bewerkstelligen, kann dem Faulturm ein Rieselbett nachgeschaltet werden, in welchem das Kohlenstoffdioxid des Biogases mit Wasserstoff (H2) biologisch zu Methan umgesetzt wird. In dieser Arbeit wurde ein Faulgasreaktor im Labormaßstab betrieben. Das dabei ent-standene Produktgas wurde mit Wasserstoff aus einer Druckflasche in ein nachgeschaltetes Rieselbett eingeleitet. Das Rieselbett wurde mit porösen Polyurethanwürfeln als Aufwuchsmaterial für die Bakterien gefüllt, welche die biologische Methanisierung bewerkstelligen, und mit Faulschlamm beimpft. Mit Hilfe einer Pumpe erfolgte die Zirkulation der flüssigen Phase im Rieselbett. Da ein Mangel an essenziellen Spurenelementen bei den anaeroben Bakterien zu einem eingeschränkten Stoffumsatz führen, wurde eine Nährlösung mit unterschiedlichen Spurenelementen hergestellt und zugesetzt. Ziel dieser Arbeit war es, den benötigten Bedarf an Spurenelementen zu ermitteln, um eine gezielte Zugabe der nötigen Chemikalien zu ermöglichen, um in Hinblick auf dieses Kriterium eine Limitierung im Stoffumsatz zu verhindern. Hierfür wurden Proben aus der Rieselflüssigkeit entnommen, welche mit Hilfe einer ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry) analysiert wurden. Des Weiteren wurde untersucht, ob sich die hydrogenotrophen Methanbildner überwiegend in der Rieselflüssigkeit oder auf den Aufwuchskörpern befinden.

Sludge (biosolids) produced during biological wastewater treatment has to be stabilised aerobically (by aeration) or anaerobically (by digestion in the absence of oxygen) for storage and to avoid odour emissions. In the second case, the raw sludge produced in wastewater treatment plants - a mixture of primary and secondary (overflow) sludge - is converted under anaerobic conditions at about 38 °C. The produced gas consists of approximately two-thirds methane (CH4) and one-third carbon dioxide (CO2), as well as hydrogen sulfide (H2S), water vapour and trace gases. However, higher methane contents are required to use biomethane as fuel for vehicles or for direct injection it into the gas network. To accomplish this, a trickle bed can be installed subsequent of the digester, in which the carbon dioxide from the biogas of the digester biologically can be converted with hydrogen (H2) to methane. In this work, a laboratory-scale digester was operated for biogas production. The resulting product gas was introduced with hydrogen into a post reactor trickle bed. The trickle bed was filled with porous polyurethane cubes acting as carrier for the bacteria and inoculated with digested sludge. A pump was used to circulate the trickling liquid. Since deficiencies in essential trace elements lead to limited functionality of the anaerobic bacteria, a nutrient solution with different trace elements was added. The aim of this work is to determine the required amount of trace elements to enable a controlled addition of the necessary chemicals to avoid limiting conditions. For this purpose, samples from the trickle bed liquid were taken and analyzed by ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry). Furthermore, it was investigated whether the hydrogenotrophic methane producers are located rather in the trickling liquid or on the growth bod-ies.