Green energy approach for anaerobic treatment and analysis of HTC process water

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der innovativen Nutzung von Aufbereitungswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) als Quelle für die Erzeugung von Biogas, einem Schlüsselelement im Bereich der erneuerbaren Energien. Durch den Einsatz fortschrittlicher Analysemethoden, darunter Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), sowie durch Batch-Experimente, Hemmstoffanalysen und weitere Versuchsreihen, wurde die Auswirkungen des HTC-Prozesswassers (HTC-PW) als Substrat in anaeroben Vergärungsprozessen zur Biogasgewinnung erforscht. In der Untersuchung kamen zwei Arten von Bioreaktoren zum Einsatz: ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor und ein Festbettreaktor, die beide über einen Zeitraum von rund 180 Tagen auf ihre Eignung für die Verarbeitung von HTC-PW hin untersucht wurden. Die Studie offenbart eine deutliche Variabilität in der Zusammensetzung der HTC-PW-Proben, die maßgeblich von den eingesetzten Rohstoffen und den spezifischen Bedingungen des HTC-Prozesses abhängt. Insbesondere die hohe Präsenz von kurzkettigen Fettsäuren und stickstoffhaltigen Verbindungen in HTC-PW stellt sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung für die Biogasproduktion dar, wobei insbesondere aromatische Verbindungen wie Phenole und Benzolderivate potenziell hemmende Effekte auf die mikrobielle Aktivität haben können. Die Erzeugung von Biogas aus HTC-PW zeigte vielversprechende Methanausbeuten und unterstreicht das Potenzial zur Energierückgewinnung aus dieser unkonventionellen Abwasserfraktion. Dennoch stehen einer großtechnischen Umsetzung noch Herausforderungen wie die Prozessoptimierung, die Variabilität der Substrate und der energieintensive HTC-Prozess entgegen. Die Integration der anaeroben Gärung in die Aufbereitung von HTC-PW erscheint als aussichtsreiche Strategie, um die Energiegewinnung zu steigern und gleichzeitig Umweltrisiken, die mit der Einleitung unbehandelter Abwässer verbunden sind, zu minimieren. Diese Arbeit betont die Notwendigkeit weiterführender Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Optimierung der Nutzung von HTC-PW für die Biogasproduktion und leistet einen Beitrag zur Einbindung in Modelle der Kreislaufwirtschaft sowie zur globalen Energiewende hin zu erneuerbaren Energien und Ressourcenrückgewinnung.

This research investigates the use of process water from hydrothermal carbonization (HTC PW) as a potential source for producing biogas, a renewable energy. Through a series of gas chromatography-mass spectrometry (GCMS) analyses, high performance liquid chromatography (HPLC) analyses, batch trials, inhibition studies, and other trials, this work explores the impact of HTC PW as a substrate for anaerobic digestion to generate biogas. Two reactor types, a continuous stirred tank reactor and a packed bed reactor, were tested for around 180 days to assess the long-term suitability of HTC-PW for digestion. The results revealed significant variability in the composition and properties of HTC-PW samples, influenced by feedstock characteristics and HTC process parameters. While HTC-PW exhibited high levels of short-chain fatty acids and nitrogenous compounds, its suitability for biogas production varied depending on the specific components present. Notably, GC-MS analysis identified aromatic compounds such as phenols and benzene derivatives, which can exert inhibitory effects on microbial activity in AD systems. Biogas fermentation trials using HTC-PW substrates demonstrated promising methane yields, indicating the potential for energy recovery from this unconventional wastewater fraction. However, challenges such as process optimization, substrate variability, and energy-intensive HTC processing remain significant hurdles to overcome for large-scale implementation. Integration of AD into the HTC-PW treatment process emerges as a promising strategy to enhance energy recovery while reducing environmental risks associated with untreated wastewater discharge. This study underscores the importance of further research and development efforts to optimize HTC-PW utilization for biogas production, paving the way for its integration into circular economy models and contributing to the global transition towards renewable energy and resource recovery.