Mathematische Modellierung von anaeroben Abbauprozessen unterschiedlicher Substrate auf Basis des "Anaerobic Digestion Model No.

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Victoria Vogel
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1 Mathematische Modellierung von anaeroben Abbauprozessen unterschiedlicher Substrate auf Basis des "Anaerobic Digestion Model No. 1" Von der Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs Dr.-Ing. genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Linda Hinken geboren am

2 Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Bilder Verzeichnis der Tabellen Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Anaerobe Prozesse Biologische Abbauprozesse Berechnung von Gasertrag und -qualität 2.1. Hemmungen anaerober Prozesse ph-wert und Säurekapazität Temperatur Organische Säuren Ammonium Sulfat Spurenelemente 2.2 Verfahrenstechnik anaerober Prozesse Industrielle Abwasserbehandlung Aktueller Stand in Deutschland Verfahrenstechnik Biogasanlagen Aktueller Stand in Deutschland Verfahrenstechnik 2. Kennzahlen zur C0 2e-Bilanzierung 2.4 Mathematische ModelIierung anaerober Prozesse Einführung Entwicklung 2.4. Aufbau und Besonderheiten des Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1 ) Biochemische Prozesse Physikalisch-chemische Prozesse Änderungen und Erweiterungen des ADM Kopplung von ADM1 und Activated Sludge Modellen (ASM) Kinetische Parameter Desintegration Hydrolyse Versäuerung (Acidogenese) v xi xiv

2.4.6.4 2.4.6.5 2.4.6.6 2.4.6.7 Acetogenese Methanogenese Schwankungsbereiche und Einflussfaktoren Biomassenaktivität 51 52 5 54 Material und Methoden.1 Analytik.1.1 Feststoffanalytik (Abwasser- und Biomasse).

3 Acetogenese Methanogenese Schwankungsbereiche und Einflussfaktoren Biomassenaktivität Material und Methoden.1 Analytik.1.1 Feststoffanalytik (Abwasser- und Biomasse).1.2 Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB).1. Wasserdampfflüchtige Fettsäuren.1.4 Säurekapazität.1.5 FOSITAC-Verhältnis.1.6 Nährstoffe (Stickstoff. Phosphor. Sulfat) und Spurenelemente.1.7 Biogasqualität.1.8 Futtermittelanalyse.2 Batchversuche.2.1 Aerobe Batchuntersuchungen zur Bestimmung des inerten CSB.2.1 Anaerobe Batchuntersuchungen Aufbau Ermittlung von spezifischen Umsatzraten. Großtechnische Anaerobanlagen zur Erzeugung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen und industriellen Nebenprodukten..1 NawaRo-Anlage..2 Co-Fermentations-Anlage.4 Anlagen zur anaeroben Industrieabwasserbehandlung.4.1 Halbtechnische Versuchsanlage zur Behandlung von Abwasser aus der Bioethanolherstellung (Anaerobe Belebung).4.2 Laboranlage zur Behandlung von Abwasser aus der Stärkeindustrie (UASB-Reaktor).4. Anlage zur Behandlung von Abwasser einer Brauerei.4..1 Anaerober Laborreaktor.4..2 Großtechnische Belebungsstufe 4 Ergebnisse eigener Untersuchungen 4.1 Anaerobe Batchversuche Fehlerbetrachtung und Aussagefähigkeit der unterschiedlichen Messmethoden Bestimmung der Methanaktivität durch Zugabe von Acetat Bestimmung der Hydrolyserate durch Zugabe von Cellulose Bestimmung der Versäuerungsrate durch Zugabe von Glucose

4 iii Bestimmung der Acetogeneserate durch Zugabe von Propionat Hydrolysekonstanten Methanbildungspotential unterschiedlicher Substrate Methanaktivität anaerober Biomassen aus Biogasanlagen Einfluss von Propionat auf die Biomassenaktivität Einfluss von Ammonium/Ammoniak auf die Biomassenaktivität Einfluss von Spurenelementen auf die Biomassenaktivität Bewertung der Aussagefähigkeit der Batchuntersuchungen zur Ermittlung von spezifischen Parametern Großtechnische Anaerobanlagen zur Erzeugung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen und industriellen Nebenprodukten NawaRo-Anlage Substratcharakteristik und Randbedingungen Abbau und Gasertrag Co-Fermentations-Anlage Substratcharakteristik und Randbedingungen Abbau und Gasertrag Konzentration organischer Säuren im Reaktor Anlagen zur anaeroben Industrieabwasserbehandlung Halbtechnische Versuchsanlage zur Behandlung von Abwasser aus der Bioethanolherstellung (Anaerobe Belebung) Abwassercharakteristik und Randbedingungen Eliminationsleistung und Biomassenaktivität Gasproduktion und -qualität Laboranlage zur Behandlung von Abwasser aus der Stärkeindustrie Abwassercharakteristik und Randbedingungen Eliminationsleistung und Biomassenaktivität bei Standardbelastung Gasproduktion und -qualität bei Standardbelastung Lastversuche Anlage zur Behandlung von Abwasser einer Brauerei Anaerober Laborreaktor Großtechnische Belebungsstufe ModelIierung Großtechnische Anaerobanlagen zur Erzeugung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen und industriellen Nebenprodukten NawaRo-Anlage Modellaufbau Fraktionierung Auswahl geeigneter Datensätze und kinetischer Parameter 129

5 iv Verzeichnisse Ergebnisse der Model/kalibrierung Ergebnisse der Model/validierung Variationsrechnungen Co-Fermentations-Anlage Model/aufbau Fraktionierung Auswahl geeigneter Datensätze und kinetischer Parameter Ergebnisse der Model/kalibrierung Ergebnisse der Model/validierung Variationsrechnungen Anlagen zur anaeroben Industrieabwasserbehandlung Halbtechnische Versuchsanlage zur Behandlung von Abwasser aus der Bioethanolherstel/ung (Anaerobe Belebung) Model/aufbau Fraktionierung Auswahl geeigneter Datensätze und kinetischer Parameter Ergebnisse der Model/kalibrierung Variationsrechnungen zur Untersuchung des Leistungseinbruchs Laboranlage zur Behandlung von Abwasser aus der Stärkeindustrie Model/aufbau Fraktionierung Auswahl geeigneter Datensätze und kinetischer Parameter Ergebnisse der Model/kalibrierung für Reaktor Ergebnisse der Model/validierung für Reaktor Variationsrechnungen Model/kopplung am Beispiel der Industrieabwasseranlage zur Brauereiabwasserbehandlung Model/aufbau Fraktionierung Auswahl geeigneter Datensätze und kinetischer Parameter Ergebnisse der Model/kalibrierung Ergebnisse der energetischen Model/rechnungen Variationsrechnungen mit dem Gesamtmodel/ Zusammenfassung und Ausblick Literatur Anhang 22

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