Universiẗat, Diss., 1999--Bonn.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung von Möglichkeiten zur Intensivierung des mikrobiellen Abbaus des Geruchsstoffes Limonen unter Anwendung des Biofilter-verfahrens. Limonen stellt eine wesentliche Geruchskomponente bei der Intensivrotte der Bioabfallkompostierung dar und wird bisher in biologischen Abluftreinigungsanlagen oft nur unzureichend eliminiert. Dies führt zu einer Geruchsbelästigung des Personals und an-grenzender Wohngebiete. Die Verbesserung des hygienischen Status der Bioabfallkom-postierung und eine damit verbundene Steigerung ihrer gesellschaftlichen Akzeptanz erfordert daher ein Biofilterverfahren, das hinsichtlich des Limonenabbaus optimiert wird. Die Zuverlässigkeit von Biofiltern ist neben der Einstellung und Optimierung technischer Parameter auch von der biologischen Aktivität der im Strukturmaterial vorhandenen Mikro-organismenbiozönose abhängig. Viele zum mikrobiellen Abbau von Limonen befähigte Mikroorganismen sind zwar bekannt, doch handelt es sich bei den beschriebenen Abbau-mechanismen hauptsächlich um eine unvollständige Mineralisierung dieses Geruchsstoffes, die zu einer Anreicherung wiederum geruchsbelasteter Verbindungen führt. In dieser Arbeit wurden aus Umweltproben (Fichtenzapfen, -nadeln, -rinde; Waldboden; Schalen von Zitrusfrüchten; Bioabfall) vier bakterielle Mischpopulationen, die zur Ver-wertung von Limonen als einzige Energie- und Kohlenstoffquelle in der Lage sind und durch Wachstum auf diesem Substrat Biomasse bilden, in Schüttelkultur durch Metabolisierung von Limonen erfolgreich angereichert. Hinsichtlich ihrer Abbaukinetik für Limonen wiesen alle Batch-Kulturen eine starke Ähnlichkeit auf. Limonen wurde bei Anfangskonzentrationen von 536,5-889,5 mg/l nach 41-59 Stunden und mittleren Abbauraten von 48,1-51,0 mgl-1h-1 durch die Batch-Kulturen bis unter die Nachweisgrenze abgebaut. Nach erfolgter Degradation hinterließen die Proben einen neutralen Geruchseindruck. Eine Akkumulation von Metabo-liten oder Endprodukten konnte gaschromatographisch nicht nachgewiesen werden, was auf einen vollständigen Limonenabbau hindeutet. Substratkonzentrationen von > 4042 mg/l führten dagegen zu einer Inhibierung des Limonenabbaus und zu einer Stagnation des Wachstums bzw. zum Absterben der Bakterien in den Schüttelkulturen. Die mikrobiologische Grobcharakterisierung führte zur Isolierung von insgesamt 44 Reinkulturen, die einzeln auf Limonenabbau getestet wurden. Es gelang, sechs Bakterien-stämme zu isolieren, die in der Lage waren, Limonen ohne Akkumulation geruchsintensiver Intermediärverbindungen abzubauen. Mittels physiologisch-biochemischer sowie chemotaxo-nomischer Untersuchungen wurden die Bakterienisolate vorbehaltlich der Nachfolgeunter-suchungen der Gattung Pseudomonas zugeordnet. Die molekularbiologische Untersuchung mittels Proteingel-Elektrophorese ergab durch Vergleich einzelner Proteinbanden im Gesamt-zellproteinmuster der Isolate untereinander sowie mit Referenzstämmen die Identität der Isolate L1,2, L2,4 und L4,10. Isolat L2,6 wies deutliche Unterschiede im Proteinbandenprofil gegenüber den übrigen Isolaten und Referenzstämmen auf und wurde zum Vergleich der Isolate L3,6 und L3,8 zu einer 16S rRNA Teilsequenzanalyse herangezogen. Die vollständige Sequenzanalyse des Isolates L3,6 führte zu einer Identität von 97 % mit P. alcaligenes. Hier muß davon ausgegangen werden, daß es sich um eine neue bisher nicht beschriebene Spezies der Gattung Pseudomonas handelt. Isolat L2,6 zeigte in der Teilsequenzanalyse eine Über-einstimmung von 96 % mit P. mendocina, was für die Zugehörigkeit zu einem neuen Genus spricht. Der Vergleich der Teilsequenzen von Isolat L3,8 mit denen bekannter Spezies ergab eine Identität von 98 % mit Pseudomonas sp. B13. Die endgültige taxonomische Einordnung ist allerdings erst nach einem Sequenzvergleich durch DNA-DNA-Hybridisierungen mit bisher sequenzierten Spezies möglich. Die Limonen-abbauenden Bakterienstämme L2,6, L3,6 und L3,8 repräsentieren daher eindeutig verschiedene Spezies, die vorläufig dem Genus Pseudomonas zugeordnet wurden. Die Wirksamkeit der Strategie, den Limonenabbau im Biofilter durch den Einsatz einer leistungsfähigen Anreicherungskultur (Mix der vier Anreicherungskulturen) zu verbessern, wurde im Überführungsversuch in zwei parallel laufenden Modellbiofiltern gaschromato-graphisch untersucht. Aus dem inokulierten Biofilter wurden Wirkungsgrade bis zu 100 % nach 67 Tagen Laufzeit bei kaum geänderter Gesamtkeimzahl ermittelt. Auch nach Einstellung der Beimpfung betrug die Konzentrationsminderung für Limonen bis zu 89 %. Die Einlaufphase des inokulierten Biofilters konnte gegenüber einem konventionellen Biofilter um 46 Tage auf 35 Tage wirksam verkürzt werden. Eine mikrobiologische Charakterisierung der aus zwei Biofiltern isolierten Bakterienkulturen ergab nicht die erwar-teten Unterschiede hinsichtlich der mikrobiologischen Besiedelung des Filtermaterials beider Biofilter. Die Wirksamkeit der Inokulationskulturen im Biofilter ließ sich gaschroma-tographisch und olfaktometrisch anhand der eliminierten Limonen- oder Geruchsstoffkon-zentrationen eindeutig nachweisen. Die Unterschiede in den Abbauleistungen beider Biofilter widerspiegeln sich folglich nicht deutlich in den taxonomischen Merkmalen der Bakterien-biozönosen. Vielmehr ist die mit der Ausbildung spezieller Enzymsysteme verbundene physiologische Adaptation verschiedenster Bakterienspezies entscheidend, um eine Opti-mierung des mikrobiellen Abbaus von Limonen in Biofiltern zu erreichen. / This study aimed to investigate the opportunities for the intensification of the microbial biodegradation of the odourous compound limonene by biofiltration as a biological waste gas treatment technology. Limonen represents a considerable odourous component during the intensive composting process of organic waste materials and its elemination capacity by using the biological waste gas treatment facilities is so far insufficient. This results to a molestation of the staff of composting facilities and adjacent residential areas by odours. The improvement of the hygienic status of the composting process connected with the increase of their social acceptance requires a biofilter system which is to be optimized regarding the biodegradation of limonene. The reliability of such biological deodorizing methods depends on the adjustment and optimisation of technological parameter as well as on the biological activity of limonene metabolizing microorganism microbiota in the carrier material. Though a wide range of limonene utilizing microorganisms are known, but the described bioconversion processes deal with mainly incomplete mineralization of these odourous compound resulting again in an accumulation of further volatile odourous substances. In this study four mixed bacterial population were successfully obtained from organic material samples (fir cone, fir needles, fir bark; coniferous forest soil; parings from citrus fruits; bio waste) by a simple enrichment technique (semicontinuous fed-batch principle) using limonene as the sole carbon and energy source, accompanied by microbial growth and mineralization. In consideration of the degradation kinetics of limonene all of the batch-cultures have shown high similarity. By initial concentrations of 536,5-889,5 mg/l after 41-59 hours and middle degradation rates of 48,1-51,0 mgl-1h-1limonene was degraded by bacterial cultures under the detection limit and samples have had a more neutral odourous impression. An accumulation of metabolites and other final products couldn't be detected by gaschromatography and this indicates a complete limonene bioconversion. Substrate concentrations greater than 4042 mg/l inhibited outright the biodegradation of this odourous compound as well as the growth of these bacteria and entailed finally to a toxic effect of the cells. Through microbial characterization 44 aerobic pure strains were isolated which were individually tested on limonene degradation. The isolation of six bacteria strains that were capable of limonene degradation without accumulation of other intermediate odourous compounds were achieved. Physiological, biochemical as well as chemotaxonomic characterization tests assigned the bacterial isolates subject to additional tests to the genus Pseudomonas. Phylogenetic investigation by using polyacrylamid gel electrophoresis revealed through comparison of the several protein bands in the whole protein pattern of the isolates with each other as well as with reference strains the identity of the isolates L1,2, L2,4 and L4,10. The isolate L2,6 showed clear differences in the protein pattern to the other isolates and reference strains and was taken with regard to a comparison of the isolates L3,6 and L3,8 to a partial 16S rRNA sequence analysis. The complete 16S rRNA analysis of the isolate L3,6 led to an identity of 97 % with P. alcaligenes. It has to be assumed here that the isolate is different from species previously described and represents a new species of the genus Pseudomonas. Partial 16S rRNA analysis of the isolate L2,6 showed a similarity of 96 % between the isolate and P. mendocina and indicate that this isolate is a member of a new genus. Partial 16S rRNA sequence comparison of the isolate L3,8 with corresponding fragments from reference strains listed in the data bank of nucleotides resulted in a similarity of 97 % with Pseudomonas sp. B13. For the definitive taxonomic arrangement of these isolates DNA-DNA hybridization with related species are required. The limonene degrading isolates represent clearly different species provisionaly allocated to the genus Pseudomonas. The effectiveness of the strategy to enhance the removal capacity for limonene with an efficient enrichment culture (mix of the four batch cultures) was tested in two parallel running biofilters (one inoculated and one biofilter without inoculation) and the degradation of limonene was followed. Chemical analysis was carried out by gas chromatography mass spectrometry. From the inoculated biofilter an efficiency up to 100 % was determined after 67 days running time and the total cell count altered scarcely. Also after a discontinue of the inoculation the elimination capacity for limonene amounted up to 89 %. The adaption time of the inoculated biofilter was successfully reduced from 81 to 35 days compared to a conventional biofilter. A microbial characterization of the isolated bacterial cultures from biofilters did'nt show the expected differences concerning the microbial composition of the carrier material of both biofilters. The activity of the enrichment cultures could be clearly proved by gaschromatography and olfactometry by means of the eliminated limonene concentrations. Therefore the differences of the elimination capacity of both biofilters didn't clearly appear in the taxonomic characteristics of the bacterial microbiota. Decisive is rather the physiological adaption of various bacterial species by formation of special enzyme systems to achieve an optimisation of the microbial degradation of limonene in biofilters.

Zugl.: Cottbus, Techn. Universiẗat, Diss., 1999.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung von Möglichkeiten zur Intensivierung des mikrobiellen Abbaus des Geruchsstoffes Limonen unter Anwendung des Biofilter-verfahrens. Limonen stellt eine wesentliche Geruchskomponente bei der Intensivrotte der Bioabfallkompostierung dar und wird bisher in biologischen Abluftreinigungsanlagen oft nur unzureichend eliminiert. Dies führt zu einer Geruchsbelästigung des Personals und an-grenzender Wohngebiete. Die Verbesserung des hygienischen Status der Bioabfallkom-postierung und eine damit verbundene Steigerung ihrer gesellschaftlichen Akzeptanz erfordert daher ein Biofilterverfahren, das hinsichtlich des Limonenabbaus optimiert wird. Die Zuverlässigkeit von Biofiltern ist neben der Einstellung und Optimierung technischer Parameter auch von der biologischen Aktivität der im Strukturmaterial vorhandenen Mikro-organismenbiozönose abhängig. Viele zum mikrobiellen Abbau von Limonen befähigte Mikroorganismen sind zwar bekannt, doch handelt es sich bei den beschriebenen Abbau-mechanismen hauptsächlich um eine unvollständige Mineralisierung dieses Geruchsstoffes, die zu einer Anreicherung wiederum geruchsbelasteter Verbindungen führt. In dieser Arbeit wurden aus Umweltproben (Fichtenzapfen, -nadeln, -rinde; Waldboden; Schalen von Zitrusfrüchten; Bioabfall) vier bakterielle Mischpopulationen, die zur Ver-wertung von Limonen als einzige Energie- und Kohlenstoffquelle in der Lage sind und durch Wachstum auf diesem Substrat Biomasse bilden, in Schüttelkultur durch Metabolisierung von Limonen erfolgreich angereichert. Hinsichtlich ihrer Abbaukinetik für Limonen wiesen alle Batch-Kulturen eine starke Ähnlichkeit auf. Limonen wurde bei Anfangskonzentrationen von 536,5-889,5 mg/l nach 41-59 Stunden und mittleren Abbauraten von 48,1-51,0 mgl-1h-1 durch die Batch-Kulturen bis unter die Nachweisgrenze abgebaut. Nach erfolgter Degradation hinterließen die Proben einen neutralen Geruchseindruck. Eine Akkumulation von Metabo-liten oder Endprodukten konnte gaschromatographisch nicht nachgewiesen werden, was auf einen vollständigen Limonenabbau hindeutet. Substratkonzentrationen von > 4042 mg/l führten dagegen zu einer Inhibierung des Limonenabbaus und zu einer Stagnation des Wachstums bzw. zum Absterben der Bakterien in den Schüttelkulturen. Die mikrobiologische Grobcharakterisierung führte zur Isolierung von insgesamt 44 Reinkulturen, die einzeln auf Limonenabbau getestet wurden. Es gelang, sechs Bakterien-stämme zu isolieren, die in der Lage waren, Limonen ohne Akkumulation geruchsintensiver Intermediärverbindungen abzubauen. Mittels physiologisch-biochemischer sowie chemotaxo-nomischer Untersuchungen wurden die Bakterienisolate vorbehaltlich der Nachfolgeunter-suchungen der Gattung Pseudomonas zugeordnet. Die molekularbiologische Untersuchung mittels Proteingel-Elektrophorese ergab durch Vergleich einzelner Proteinbanden im Gesamt-zellproteinmuster der Isolate untereinander sowie mit Referenzstämmen die Identität der Isolate L1,2, L2,4 und L4,10. Isolat L2,6 wies deutliche Unterschiede im Proteinbandenprofil gegenüber den übrigen Isolaten und Referenzstämmen auf und wurde zum Vergleich der Isolate L3,6 und L3,8 zu einer 16S rRNA Teilsequenzanalyse herangezogen. Die vollständige Sequenzanalyse des Isolates L3,6 führte zu einer Identität von 97 % mit P. alcaligenes. Hier muß davon ausgegangen werden, daß es sich um eine neue bisher nicht beschriebene Spezies der Gattung Pseudomonas handelt. Isolat L2,6 zeigte in der Teilsequenzanalyse eine Über-einstimmung von 96 % mit P. mendocina, was für die Zugehörigkeit zu einem neuen Genus spricht. Der Vergleich der Teilsequenzen von Isolat L3,8 mit denen bekannter Spezies ergab eine Identität von 98 % mit Pseudomonas sp. B13. Die endgültige taxonomische Einordnung ist allerdings erst nach einem Sequenzvergleich durch DNA-DNA-Hybridisierungen mit bisher sequenzierten Spezies möglich. Die Limonen-abbauenden Bakterienstämme L2,6, L3,6 und L3,8 repräsentieren daher eindeutig verschiedene Spezies, die vorläufig dem Genus Pseudomonas zugeordnet wurden. Die Wirksamkeit der Strategie, den Limonenabbau im Biofilter durch den Einsatz einer leistungsfähigen Anreicherungskultur (Mix der vier Anreicherungskulturen) zu verbessern, wurde im Überführungsversuch in zwei parallel laufenden Modellbiofiltern gaschromato-graphisch untersucht. Aus dem inokulierten Biofilter wurden Wirkungsgrade bis zu 100 % nach 67 Tagen Laufzeit bei kaum geänderter Gesamtkeimzahl ermittelt. Auch nach Einstellung der Beimpfung betrug die Konzentrationsminderung für Limonen bis zu 89 %. Die Einlaufphase des inokulierten Biofilters konnte gegenüber einem konventionellen Biofilter um 46 Tage auf 35 Tage wirksam verkürzt werden. Eine mikrobiologische Charakterisierung der aus zwei Biofiltern isolierten Bakterienkulturen ergab nicht die erwar-teten Unterschiede hinsichtlich der mikrobiologischen Besiedelung des Filtermaterials beider Biofilter. Die Wirksamkeit der Inokulationskulturen im Biofilter ließ sich gaschroma-tographisch und olfaktometrisch anhand der eliminierten Limonen- oder Geruchsstoffkon-zentrationen eindeutig nachweisen. Die Unterschiede in den Abbauleistungen beider Biofilter widerspiegeln sich folglich nicht deutlich in den taxonomischen Merkmalen der Bakterien-biozönosen. Vielmehr ist die mit der Ausbildung spezieller Enzymsysteme verbundene physiologische Adaptation verschiedenster Bakterienspezies entscheidend, um eine Opti-mierung des mikrobiellen Abbaus von Limonen in Biofiltern zu erreichen. / This study aimed to investigate the opportunities for the intensification of the microbial biodegradation of the odourous compound limonene by biofiltration as a biological waste gas treatment technology. Limonen represents a considerable odourous component during the intensive composting process of organic waste materials and its elemination capacity by using the biological waste gas treatment facilities is so far insufficient. This results to a molestation of the staff of composting facilities and adjacent residential areas by odours. The improvement of the hygienic status of the composting process connected with the increase of their social acceptance requires a biofilter system which is to be optimized regarding the biodegradation of limonene. The reliability of such biological deodorizing methods depends on the adjustment and optimisation of technological parameter as well as on the biological activity of limonene metabolizing microorganism microbiota in the carrier material. Though a wide range of limonene utilizing microorganisms are known, but the described bioconversion processes deal with mainly incomplete mineralization of these odourous compound resulting again in an accumulation of further volatile odourous substances. In this study four mixed bacterial population were successfully obtained from organic material samples (fir cone, fir needles, fir bark; coniferous forest soil; parings from citrus fruits; bio waste) by a simple enrichment technique (semicontinuous fed-batch principle) using limonene as the sole carbon and energy source, accompanied by microbial growth and mineralization. In consideration of the degradation kinetics of limonene all of the batch-cultures have shown high similarity. By initial concentrations of 536,5-889,5 mg/l after 41-59 hours and middle degradation rates of 48,1-51,0 mgl-1h-1limonene was degraded by bacterial cultures under the detection limit and samples have had a more neutral odourous impression. An accumulation of metabolites and other final products couldn''t be detected by gaschromatography and this indicates a complete limonene bioconversion. Substrate concentrations greater than 4042 mg/l inhibited outright the biodegradation of this odourous compound as well as the growth of these bacteria and entailed finally to a toxic effect of the cells. Through microbial characterization 44 aerobic pure strains were isolated which were individually tested on limonene degradation. The isolation of six bacteria strains that were capable of limonene degradation without accumulation of other intermediate odourous compounds were achieved. Physiological, biochemical as well as chemotaxonomic characterization tests assigned the bacterial isolates subject to additional tests to the genus Pseudomonas. Phylogenetic investigation by using polyacrylamid gel electrophoresis revealed through comparison of the several protein bands in the whole protein pattern of the isolates with each other as well as with reference strains the identity of the isolates L1,2, L2,4 and L4,10. The isolate L2,6 showed clear differences in the protein pattern to the other isolates and reference strains and was taken with regard to a comparison of the isolates L3,6 and L3,8 to a partial 16S rRNA sequence analysis. The complete 16S rRNA analysis of the isolate L3,6 led to an identity of 97 % with P. alcaligenes. It has to be assumed here that the isolate is different from species previously described and represents a new species of the genus Pseudomonas. Partial 16S rRNA analysis of the isolate L2,6 showed a similarity of 96 % between the isolate and P. mendocina and indicate that this isolate is a member of a new genus. Partial 16S rRNA sequence comparison of the isolate L3,8 with corresponding fragments from reference strains listed in the data bank of nucleotides resulted in a similarity of 97 % with Pseudomonas sp. B13. For the definitive taxonomic arrangement of these isolates DNA-DNA hybridization with related species are required. The limonene degrading isolates represent clearly different species provisionaly allocated to the genus Pseudomonas. The effectiveness of the strategy to enhance the removal capacity for limonene with an efficient enrichment culture (mix of the four batch cultures) was tested in two parallel running biofilters (one inoculated and one biofilter without inoculation) and the degradation of limonene was followed. Chemical analysis was carried out by gas chromatography mass spectrometry. From the inoculated biofilter an efficiency up to 100 % was determined after 67 days running time and the total cell count altered scarcely. Also after a discontinue of the inoculation the elimination capacity for limonene amounted up to 89 %. The adaption time of the inoculated biofilter was successfully reduced from 81 to 35 days compared to a conventional biofilter. A microbial characterization of the isolated bacterial cultures from biofilters did''nt show the expected differences concerning the microbial composition of the carrier material of both biofilters. The activity of the enrichment cultures could be clearly proved by gaschromatography and olfactometry by means of the eliminated limonene concentrations. Therefore the differences of the elimination capacity of both biofilters didn''t clearly appear in the taxonomic characteristics of the bacterial microbiota. Decisive is rather the physiological adaption of various bacterial species by formation of special enzyme systems to achieve an optimisation of the microbial degradation of limonene in biofilters.

Methane (CH4) is included in the direct greenhouse gases listed in the Kyoto protocol. The composting of anaerobic digestion (henceforth AD) material is a source of CH4. CH4 is the major contributor to overall CO2 emissions. Therefore, it is important to know the formation of this gas from different stages and substrates of the composting process. This study investigated CH4, CO2 and O2 profiles in two open-windrows in composting plants treating AD material. One composting windrow was turned one a week; whereas another was turned twice a week using a special windrow turner. To assess the gaseous formation in the composting windrows, CH4, CO2 and O2 volume concentrations were measured at different depths. Active aeration has been considered as a method to reduce CH4 generation during composting. However, our results showed that frequent turned windrow generated more CH4 than less turned windrow. The highest CH4 concentrations were found at a depth of 1 m, and were 45% and 37% for 2 times a week turned windrow and 1 time a week turned windrow respectively. Gas concentrations of CH4, O2 and CO2 in both windrows differed. Concentrations of CO2 and CH4 increased with depth, whereas concentration of O2 decreased from the surface to the lowest point. The O2 and CO2 are important factors in determining whether the windrows are anaerobic or aerobic. / Khí mê tan (CH4) là một trong những khí nhà kính được liệt kê trong nghị định thư Kyoto. Quá trình ủ phân compost từ các chất thải của hầm ủ biogas là nguồn phát sinh loại khí này. Khí mê tan đóng góp chủ yếu trong tổng lượng khí nhà kính phát thải vào khí quyển. Do đó, những hiểu biết về quá trình hình thành loại khí này trong các giai đoạn khác nhau của quá trình ủ phân compost từ chất thải hầm ủ biogas là rất quan trọng. Nghiên cứu này tìm hiểu sự phát thải khí CH4, CO2 và O2 trong 2 luống ủ ngoài trời tại các nhà máy xử lý rác thải hữu cơ bằng phương pháp kỵ khí. Luống ủ 1 được đảo trộn một lần một tuần trong khi luống ủ số 2 được đảo trộn 2 lần 1 tuần. Để đo đạc lượng khí phát thải từ các luống ủ phân compost, nồng độ các khí CH4, CO2 và O2 được đo ở các độ sâu khác nhau. Việc cung cấp khí oxy được coi như là một biện pháp để làm giảm sự hình thành khí mê tan. Tuy nhiên, kết quả đo đạc của chúng tôi chứng minh rằng việc đảo trộn thường xuyên phát thải nhiều khí mê tan hơn ít đảo trộn. Nồng độ khí mê tan cao nhất 45% và 37% đo được ở khoảng cách 1m từ bề mặt đối với luống ủ đảo trộn hai lần và một lần. Nồng độ các khí CH4, CO2 và O2 khác nhau ở hai luống trong thí nghiệm. Nồng độ khí CH4 và CO2 tăng theo độ sâu, trong khi O2 giảm theo độ sâu. Nồng độ khí CO2 và O2 đóng vai trò quyết định luống ủ được cung cấp đủ oxy cho quá trình phân hủy hiếu khí hay không.

Die vorliegende Arbeit ist die erste empirische Studie zum Betriebsverhalten von unbelüfteten Festbettreaktoren mit Wärmeentzug, sog. Biomeilern. Es werden vier Biomeiler systematisch und mehrschichtig hinsichtlich der biochemischen Abbauprozesse untersucht. Zusätzlich dazu werden die Daten von 130 Temperatursensoren über einen Zeitraum von 140 Versuchstagen für eine energetische Bewertung herangezogen. Die Bewertung der biochemischen Abbauprozesse erfolgt durch Analyse des Substratgemischs, der Gaskonzentration im Haufwerk und der Temperaturverteilung. Im zylinderförimgen Reaktorraum wird eine rotationssymetische Verteilung der Zustandsgrößen nachgewiesen, um deren Rotationsachse hohe Methankonzentartion, abhängig vom Gesamtvolumen, nachweisbar sind. Die energetische Bewertung ergibt eine maximale Wärmeleistung von 5 kW über einen Zeitraum von 60 Tagen für 12h Wärmeentzug pro Tag. Diese Werte sind mit den publizierten Höchstwerten für die Wärmeleistung vergleichbar. Zur Erfassung der maximal möglichen Wärmeleistung war das gegebene Versuchsobjekt mangelhaft. Zur Verbesserung sowohl der Wärmeleistungsbereitstellung als auch der Prozessführung wird eine Belüftung vorgeschlagen und erläutert. Ein möglicher Einsatz im Bereich der regenerativen Energieversorgung im Niedertemperaturbereich (bsp. Flächenheizungen) oder zur Deckung der Heizgrundlast sind denkbar.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Grundlagen der Kompostierung 3.1 Definition 3.2 Mikroorganismen der Kompostierung 3.3 Substrat 3.3.1 Nährstoffe 3.3.2 Wassergehalt 3.3.3 Porengröße und Partikelgröße 3.4 Temperatur, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff 3.4.1 Zusammenhänge 3.4.2 Hygienisierung 3.4.3 Temperaturführung 3.5 Belüftungsverfahren statischer Reaktoren 3.5.1 Bedeutung 3.5.2 Aktive Belüftungsverfahren 3.5.3 Passive Belüftungsverfahren 3.5.4 Dombelüftungsverfahren 4 Stand der Wissenschaft 4.1 Theoretische Modellierung 4.1.1 Allgemeines 4.1.2 Thermodynamische Modellierung 4.1.2.1 Wärmebilanz 4.1.2.2 Speicherwärme und spezifische Wärmekapazität 4.1.2.3 Wärmeübertragung 4.1.2.4 Wärmeverlust 4.1.3 Modellierung der Selbsterhitzung und Reaktionswärme 4.1.3.1 Begriffsbestimmung 4.1.3.2 Deterministisch geprägte Modelle 4.1.3.3 Stöchiometrische Modelle mit Prozessgasen 4.1.3.4 Abschätzung durch den Heizwert des Substrat 4.1.3.5 Abschätzung durch die Heizwerte der Nährstoffe 4.1.4 Modellierung des Wasserhaushalts 4.2 Technologien zum Wärmeentzug aus der Kompostierung 4.2.1 Möglichkeiten des Wärmeentzugs 4.2.2 Steuerung der Prozesse 4.2.2.1 Bedeutung 4.2.2.2 Belüftung 4.2.2.3 C:N-Verhältnis 4.2.2.4 Temperaturführung 4.2.3 Bestehende Verfahren zum Wärmeentzug aus der Kompostierung 4.2.3.1 Kontinuierliche Verfahren 4.2.3.2 Kurzzeit-Batch 4.2.3.3 Langzeit-Batch 4.3 Datengrundlage zur Wärmeleistung 4.3.1 Ermittlung der Wärmeleistung 4.3.2 Experimente und Fehleranalyse 4.3.3 Datengrundlage 4.4 Fazit 5 Methoden zur Vermessung der Biomeiler 5.1 Versuch 5.1.1 Versuchsfeld und Umgebungsbedingungen 5.1.2 Aufbau und Betriebsweise der Biomeiler 5.1.2.1 Aufbau und Sensorik 5.1.2.2 Substratvorbereitung 5.1.2.3 Steuerung des Wärmeentzugs 5.1.3 Versuchszeitraum 5.2 Messungen 5.2.1 Charakterisierung des Substrats 5.2.1.1 Probenahme und Messpunkte 5.2.1.2 Schüttdichtemessung 5.2.1.3 Laboruntersuchungen 5.2.2 Temperaturmessungen 5.2.2.1 Automatisierte Temperaturmessungen 5.2.2.2 Manuelle Temperaturmessungen 5.2.2.3 Messung der Oberflächentemperatur 5.2.3 Volumenstrommessung im Heizkreislauf 5.2.4 Messung der Gaszusammensetzung im Festbettreaktor 5.2.5 Messung der Wetterdaten 5.3 Messfehlerbetrachtung 5.3.1 Nicht-quantifizierbare Fehlerquellen 5.3.2 Quantifizierbare Fehlerquellen 5.3.3 Auswertung der Fehler der manuellen Messungen 5.4 Auswertungsverfahren 5.4.1 Auswahl der Biomeiler 5.4.2 Darstellung des vertikalen Profils 5.4.3 Berechnung der Wärmeleistung 6 Auswertung 53 6.1 Auswertung der Wetterdaten 6.2 Charakterisierung des Substrats 6.2.1 Schüttdichte 6.2.2 Wassergehalt, Wärmekapazität und -leitfähigkeit 6.2.3 C:N-Verhältnis und Heizwert 6.2.4 Korngröße und oTS 6.2.5 Volumenschwund durch Setzung 6.3 Untersuchung des horizontalen Profils 6.4 Untersuchung des vertikalen Profils 6.4.1 Annahmen und Begriffsbestimmung 6.4.2 Profil der Schüttdichte und des Abbaugrads 6.4.2.1 Schüttdichte 6.4.2.2 Abbaugrad 6.4.3 Profil der Gaszusammensetzung 6.4.3.1 Gaskonzentrationen im Festbettreaktor 6.4.3.2 Optischer Nachweis der Mikroorganismen 6.4.4 Profil der Temperatur 6.4.4.1 Temperaturfeld im Festbettreaktor 6.4.4.2 Oberflächentemperatur 6.5 Untersuchung der Reaktionswärme und des Wärmeentzugs 6.5.1 Abhängigkeit von dem Biomeilervolumen 6.5.2 Abhängigkeit von der Steuerung des Wärmeentzugs 6.5.3 Auswertung der Wärmeleistung 6.5.4 Identifikation von Einflussfaktoren 6.5.4.1 Abhängigkeiten der Parameter 6.5.4.2 Einfluss der Umgebungsbedingungen 6.6 Ansatz zur Erweiterung eines Modells 6.6.1 Auswahl des Modells 6.6.2 Wärmebilanz 6.6.3 Räumliche Verteilung der Zustandsgrößen 6.6.4 Wärmeübertragung zum Wärmeübertrager 7 Bewertung und Diskussion 8 Zusammenfassung 9 Ausblick Literatur Anhang

Anaerobic digestion technologies have been utilized in Vietnam for more than 30 years with thousands of domestic small scale plants, mostly for agricultural and livestock wastes. For municipal solid waste (MSW) the development of biogas plants is far below the current high waste generation rates. The aim of this paper is to present the results of a feasibility assessment of implementing AD to treat the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) in Vietnam. For this purpose, an environmental analysis was performed comparing three treatment scenarios: two hypothetical AD technologies (a wet and a dry fermentation system) and the existing industrial composting facility at Nam Binh Duong Waste Treatment Complex in South Vietnam. This study sought for the technology to recover the most possible resources and energy from the OFMSW, and reduce greenhouse gas (GHG) emissions. The results were then combined with a policy review to support a holistic approach on the feasibility of these technologies in Vietnam. The outcome indicates that by implementing the dry AD system, up to 16.7 GWh of power and 14.4 GWh of heat energy can be generated annually and it can potentially save up to 5,400 Mg of CO2 equivalent per year, presenting the highest resource/energy benefits. The performance of the wet system and composting facility present some advantages particularly if there is a previous segregation of the organic material from the rest of the household wastes. Moreover, current reforms in Vietnam demonstrate the government’s interest in AD technologies, translated into the development of fiscal and financial revenues which incentivize participation from the public and private sector. Finally, these technologies are constantly under development and have the potential to be further improved, which gives hopes that waste treatment systems can be optimized to meet the waste and energy challenges of the future generations. / Phương pháp lên men kị khí đã được áp dụng tại Việt Nam từ hơn 30 năm nay với hàng nghìn các công trình nhỏ chủ yếu xử lý chất thải nông nghiệp và chăn nuôi. Sự phát triển hiện nay của các nhà máy sinh khí biogas còn quá ít cho xử lý lượng phát thải cao rác thải đô thị. Bài báo này trình bày các kết quả việc đánh giá tính khả thi khi áp dụng công nghệ lên men kị khí xử lý phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị tại Việt Nam. Với mục đích này, phân tích môi trường được thực hiện để so sánh ba kịch bản xử lý: hai công nghệ lên men kị khí giả định (một cho công nghệ lên men ướt và một cho công nghệ lên men khô) và nhà máy hiện hữu lên men hiếu khí làm phân bón compost tại khu liên hợp xử lý chất thải Nam Bình Dương ở miền Nam Việt Nam. Nghiên cứu này tìm kiếm giải pháp công nghệ để thu hồi nhiều nhất có thể các tài nguyên và năng lượng từ rác thải đô thị và và giảm phát thải khí nhà kính. Các kết quả sau đó được kết hợp với đánh giá chính sách để hỗ trợ cách tiếp cận toàn diện về tính khả thi của các công nghệ này vào Việt Nam. Kết quả cho thấy áp dụng công nghệ lên men kị khí khô có thể tạo ra đến 16,7 GWh điện năng và 14,4 GWh nhiệt năng hàng năm và có khả năng làm giảm đến 8,000 Mg CO2 tương đương mỗi năm, thể hiện lợi ích cao nhất giữa tài nguyên và năng lượng. Hiệu suất của hệ thống lên men kị khí ướt và lên men hiếu khí thể hiện một số lợi thế đặc biệt khi nguyên liệu hữu cơ cho quá trình lên men được tiền phân loại ra khỏi hỗn hợp rác sinh hoạt. Hơn nữa, các đổi mới hiện nay ở Việt Nam thể hiện sự quan tâm của Chính phủ đến các công nghệ lên men kị khí, thể hiện qua sự tăng trưởng tài chính và doanh thu để khuyến khích sự tham gia của khu vực công và tư nhân. Chắc chắn rằng các công nghệ sẽ liên tục được phát triển và có khả năng được cải tiến tốt hơn, mang đến cho chúng ta những hy vọng rằng các hệ thống xử lý chất thải được tối ưu hóa để đáp ứng được các thách thức về chất thải và năng lượng của các thế hệ tương lai.

The aim of this study was to assess the effect of composting process of cow manure and rice straw with application of cow urine and to evaluate the quality of composting products. There were two treatment piles, in which one pile was applied with cow urine every week and another pile without urine application. Each pile was set up by one tone cow manure and 500kg rice straw. The piles were half-covered by plastic foil to protect from rain and turned one a week. The composting duration lasted 8 weeks. The parameters such as temperature, pH, DM, density and nitrogen were monitored and observed during the 8-week period. The results showed that there was a significant difference in temperature, compost quality and duration between two piles with and without cow urine application. The application of cow urine increased significant nitrogen and phosphorous content and shortened the composting process. This study recommends that cow urine should be applied for composting process of cow manure and rice straw in order to increase the quality of compost. The final product was in the range of matured compost level and can be used directly for agriculture crop. / Mục tiêu của nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng đến chất lượng phân compost của việc bổ sung nước tiểu vào trong quá trình ủ phân từ nguyên liệu phân bò và rơm rạ. Thí nghiệm được thực hiện trên hai đống ủ phân, một đống ủ được bổ sung nước tiểu bò hàng tuần và một đống ủ không bổ sung nước tiểu bò như là một nghiệm thức đối chứng. Mỗi đống ủ được trộn 1 tấn phân bò và 500kg rơm. Đống ủ phân được đậy kín một nửa phía trên nhằm ngăn cản ảnh hưởng của mưa và được đảo trộn một lần mỗi tuần. Quá trình thí nghiệm được tiến hành trong 8 tuần. Các chỉ tiêu như nhiệt độ, pH, DM, mật độ và chất dinh dưỡng Nitơ và Phốt Pho được quan trắc trong thời gian ủ. Kết quả cho thấy có sự khác biệt đáng kể giữa hai đống phân ủ đối với các chỉ tiêu như nhiệt độ, chất lượng phân compost và thời gian ủ. Đống ủ phân có bổ sung nước tiểu có hàm lượng Nitơ và Phốt pho cao hơn và thời gian ủ ngắn hơn. Kết quả nghiên cứu khuyến cáo nên bổ sung nước tiểu bò cho quá trình ủ phân compost nhằm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng cho sản phẩm phân compost. Sản phẩm sau quá trình ủ đạt mức độ phân hữu cơ và có thể sử dụng cho cây trồng.

Methane (CH4) is included in the direct greenhouse gases listed in the Kyoto protocol. The composting of anaerobic digestion (henceforth AD) material is a source of CH4. CH4 is the major contributor to overall CO2 emissions. Therefore, it is important to know the formation of this gas from different stages and substrates of the composting process. This study investigated CH4, CO2 and O2 profiles in two open-windrows in composting plants treating AD material. One composting windrow was turned one a week; whereas another was turned twice a week using a special windrow turner. To assess the gaseous formation in the composting windrows, CH4, CO2 and O2 volume concentrations were measured at different depths. Active aeration has been considered as a method to reduce CH4 generation during composting. However, our results showed that frequent turned windrow generated more CH4 than less turned windrow. The highest CH4 concentrations were found at a depth of 1 m, and were 45% and 37% for 2 times a week turned windrow and 1 time a week turned windrow respectively. Gas concentrations of CH4, O2 and CO2 in both windrows differed. Concentrations of CO2 and CH4 increased with depth, whereas concentration of O2 decreased from the surface to the lowest point. The O2 and CO2 are important factors in determining whether the windrows are anaerobic or aerobic. / Khí mê tan (CH4) là một trong những khí nhà kính được liệt kê trong nghị định thư Kyoto. Quá trình ủ phân compost từ các chất thải của hầm ủ biogas là nguồn phát sinh loại khí này. Khí mê tan đóng góp chủ yếu trong tổng lượng khí nhà kính phát thải vào khí quyển. Do đó, những hiểu biết về quá trình hình thành loại khí này trong các giai đoạn khác nhau của quá trình ủ phân compost từ chất thải hầm ủ biogas là rất quan trọng. Nghiên cứu này tìm hiểu sự phát thải khí CH4, CO2 và O2 trong 2 luống ủ ngoài trời tại các nhà máy xử lý rác thải hữu cơ bằng phương pháp kỵ khí. Luống ủ 1 được đảo trộn một lần một tuần trong khi luống ủ số 2 được đảo trộn 2 lần 1 tuần. Để đo đạc lượng khí phát thải từ các luống ủ phân compost, nồng độ các khí CH4, CO2 và O2 được đo ở các độ sâu khác nhau. Việc cung cấp khí oxy được coi như là một biện pháp để làm giảm sự hình thành khí mê tan. Tuy nhiên, kết quả đo đạc của chúng tôi chứng minh rằng việc đảo trộn thường xuyên phát thải nhiều khí mê tan hơn ít đảo trộn. Nồng độ khí mê tan cao nhất 45% và 37% đo được ở khoảng cách 1m từ bề mặt đối với luống ủ đảo trộn hai lần và một lần. Nồng độ các khí CH4, CO2 và O2 khác nhau ở hai luống trong thí nghiệm. Nồng độ khí CH4 và CO2 tăng theo độ sâu, trong khi O2 giảm theo độ sâu. Nồng độ khí CO2 và O2 đóng vai trò quyết định luống ủ được cung cấp đủ oxy cho quá trình phân hủy hiếu khí hay không.

Anaerobic digestion technologies have been utilized in Vietnam for more than 30 years with thousands of domestic small scale plants, mostly for agricultural and livestock wastes. For municipal solid waste (MSW) the development of biogas plants is far below the current high waste generation rates. The aim of this paper is to present the results of a feasibility assessment of implementing AD to treat the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) in Vietnam. For this purpose, an environmental analysis was performed comparing three treatment scenarios: two hypothetical AD technologies (a wet and a dry fermentation system) and the existing industrial composting facility at Nam Binh Duong Waste Treatment Complex in South Vietnam. This study sought for the technology to recover the most possible resources and energy from the OFMSW, and reduce greenhouse gas (GHG) emissions. The results were then combined with a policy review to support a holistic approach on the feasibility of these technologies in Vietnam. The outcome indicates that by implementing the dry AD system, up to 16.7 GWh of power and 14.4 GWh of heat energy can be generated annually and it can potentially save up to 5,400 Mg of CO2 equivalent per year, presenting the highest resource/energy benefits. The performance of the wet system and composting facility present some advantages particularly if there is a previous segregation of the organic material from the rest of the household wastes. Moreover, current reforms in Vietnam demonstrate the government’s interest in AD technologies, translated into the development of fiscal and financial revenues which incentivize participation from the public and private sector. Finally, these technologies are constantly under development and have the potential to be further improved, which gives hopes that waste treatment systems can be optimized to meet the waste and energy challenges of the future generations. / Phương pháp lên men kị khí đã được áp dụng tại Việt Nam từ hơn 30 năm nay với hàng nghìn các công trình nhỏ chủ yếu xử lý chất thải nông nghiệp và chăn nuôi. Sự phát triển hiện nay của các nhà máy sinh khí biogas còn quá ít cho xử lý lượng phát thải cao rác thải đô thị. Bài báo này trình bày các kết quả việc đánh giá tính khả thi khi áp dụng công nghệ lên men kị khí xử lý phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị tại Việt Nam. Với mục đích này, phân tích môi trường được thực hiện để so sánh ba kịch bản xử lý: hai công nghệ lên men kị khí giả định (một cho công nghệ lên men ướt và một cho công nghệ lên men khô) và nhà máy hiện hữu lên men hiếu khí làm phân bón compost tại khu liên hợp xử lý chất thải Nam Bình Dương ở miền Nam Việt Nam. Nghiên cứu này tìm kiếm giải pháp công nghệ để thu hồi nhiều nhất có thể các tài nguyên và năng lượng từ rác thải đô thị và và giảm phát thải khí nhà kính. Các kết quả sau đó được kết hợp với đánh giá chính sách để hỗ trợ cách tiếp cận toàn diện về tính khả thi của các công nghệ này vào Việt Nam. Kết quả cho thấy áp dụng công nghệ lên men kị khí khô có thể tạo ra đến 16,7 GWh điện năng và 14,4 GWh nhiệt năng hàng năm và có khả năng làm giảm đến 8,000 Mg CO2 tương đương mỗi năm, thể hiện lợi ích cao nhất giữa tài nguyên và năng lượng. Hiệu suất của hệ thống lên men kị khí ướt và lên men hiếu khí thể hiện một số lợi thế đặc biệt khi nguyên liệu hữu cơ cho quá trình lên men được tiền phân loại ra khỏi hỗn hợp rác sinh hoạt. Hơn nữa, các đổi mới hiện nay ở Việt Nam thể hiện sự quan tâm của Chính phủ đến các công nghệ lên men kị khí, thể hiện qua sự tăng trưởng tài chính và doanh thu để khuyến khích sự tham gia của khu vực công và tư nhân. Chắc chắn rằng các công nghệ sẽ liên tục được phát triển và có khả năng được cải tiến tốt hơn, mang đến cho chúng ta những hy vọng rằng các hệ thống xử lý chất thải được tối ưu hóa để đáp ứng được các thách thức về chất thải và năng lượng của các thế hệ tương lai.