Die Studie »Aufarbeitung landwirtschaftlicher Biomasse für den Vergärungsprozess« zeigt, dass eine dem Vergärungsprozess vorgeschaltete Aufarbeitung landwirtschaftlicher Biomasse mittels Doppelschneckenextruder, Multischroter oder Enzymen die Energieproduktion um bis zu 26,6 % steigern kann. Die beispielhafte Darstellung von Aufarbeitungsmöglichkeiten anhand einer Biogasanlage mit 500 kWel beweist, dass sich die Biogaserzeugung beim Einsatz von Maissilage lohnen kann. Eine Rentabilitätserhöhung ist dabei kaum ersichtlich, es kann jedoch mit frei werdender Anbaufläche für die Nahrungsmittelproduktion gerechnet werden. Eine wirtschaftliche Biogaserzeugung auf der Basis vorzerkleinerter Grassilagen konnte nicht nachgewiesen werden, lediglich eine deutliche Effizienzsteigerung. Wie sich die Gewinnerwartung bei zunehmendem Gülleanteil bei Grassilage verhält sowie ausführliche Betrachtungen der Versuche und deren Wertung lesen Sie im kompletten Ergebnisbericht.

Die Studie »Aufarbeitung landwirtschaftlicher Biomasse für den Vergärungsprozess« zeigt, dass eine dem Vergärungsprozess vorgeschaltete Aufarbeitung landwirtschaftlicher Biomasse mittels Doppelschneckenextruder, Multischroter oder Enzymen die Energieproduktion um bis zu 26,6 % steigern kann. Die beispielhafte Darstellung von Aufarbeitungsmöglichkeiten anhand einer Biogasanlage mit 500 kWel beweist, dass sich die Biogaserzeugung beim Einsatz von Maissilage lohnen kann. Eine Rentabilitätserhöhung ist dabei kaum ersichtlich, es kann jedoch mit frei werdender Anbaufläche für die Nahrungsmittelproduktion gerechnet werden. Eine wirtschaftliche Biogaserzeugung auf der Basis vorzerkleinerter Grassilagen konnte nicht nachgewiesen werden, lediglich eine deutliche Effizienzsteigerung. Wie sich die Gewinnerwartung bei zunehmendem Gülleanteil bei Grassilage verhält sowie ausführliche Betrachtungen der Versuche und deren Wertung lesen Sie im kompletten Ergebnisbericht.

Die folgende Arbeit beschreibt Potentiale und Risiken der Nutzung industrieller Abprodukte am Beispiel des Apfeltrester – einem Pressrückstand der Apfelsaftgewinnung. Dieser spielt aus finanzieller und ökologischer Sicht als Abprodukt eine steigende Rolle bei der Biogassynthese. Dabei werden die Ergebnisse des vorangegangenen Fachpraktikums vorgestellt und diskutiert. Darauf aufbauend wurden Thesen erstellt und anhand ermittelter Messwerte sowie der Literatur verifiziert. Schlussendlich werden in einer Wirtschaftlichkeitsrechnung Kosten von Bezug, Lagerung und Beschickung den Gewinnen aus der Einspeisevergütung gegenüber gestellt. Es konnte gezeigt werden, dass Apfeltrester unter Laborbedingungen nicht die befürchtete Übersäuerung des anaeroben Abbauprozesses zur Folge hatte, sondern unter vergleichbaren Erträgen mit leicht höherer Sicherheit zur Maissilage bis zu einem gewissen Anteil zu Maissilage und Stallgülle zugesetzt werden kann. / Due to the increasing ecological and financial importance of industrial waste products in the recovery of biogas the following thesis describes potentials and risks of the usage of one of these products using apple pomace – the filter cake of the apple juice production. Thereby the issues of the three-month practical course in the LHL Eichhof, a laboratory in middle Germany, are shown and discussed. As conclusion several theses are given and verified with help of the taken measurements and scientific literature. At the end an economical calculation compares the present costs of purchase, storage and processing with the proceeds of the reimbursement by the german renewable energy sources act (EEG). Against the misgiving that apple pomace could decrease the pH-value to an unacceptable level for the anaerobic decomposition process the fermentation of this product gets a comparable output even with a little more reliability compared to corn silage when added up to a defined level to corn silage and slurry.

Das Ziel dieser Arbeit ist es biobasierte, bioabbaubare Biokunststoffe mit einfacher Prozesstechnik zu desintegrieren und für anaerobe Mikroorganismen verfügbar zu machen. Mittels der Ergebnisse der Untersuchungen soll nachgewiesen werden, dass eine anaerobe Verwertung der desintegrierten Biokunststoffe bzw. der generierten Flüssigkeiten möglich ist. Außerdem soll ermittelt werden, welches energetische Potenzial dabei freigesetzt wird. Im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird die Implementierung einer Desintegrationsstufe in einer Vergärungsanlage bewertet. Zu Beginn der Untersuchungen wird festgestellt, dass eine anaerobe Verwertung im mesophilen und im thermophilen Bereich nur unzureichend realisierbar ist. In den anschließenden Untersuchungen werden Maßnahmen zur Beschleunigung der Desintegration von zertifizierten bioabbaubaren Biokunststoffen untersucht. Nachdem ein Nachweis der Desintegration verschiedener Biokunststoffe erbracht und aus-reichend hohe Gehalte gelöster Organik nachgewiesen werden, erfolgt im Anschluss die anaerobe Verwertung der erzeugten Flüssigkeiten in einer mesophilen, kontinuierlichen Vergärung. Die Gärtests geben Aufschluss über die Vergärbarkeit, das Biogaspotenzial, die Biogasqualität und die Abbaugrade der desintegrierten Biokunststoffe. Der höchste Abbaugrad (71,3 %) wird bei der Untersuchung der Flüssigkeiten der Ecovio®-Biobeutel erreicht. Der Abbau der Activia®-Becher (39,6 %) verlief weniger effizient und wird durch hohe Gehalte organischer Säuren und Verdünnungseffekte beeinflusst. Die real erzeugten Biogaspotenziale schwanken zwischen 0,1 lN CH4/g CSB und 0,23 lN CH4/g CSB. Die Biogasqualität während der Versuche ist sehr gut. Die Verhältnisse von CH4 zu CO2 liegen überwiegend zwischen 50:50 und 60:40. Der Nachweis der energetischen Nutzbarmachung der desintegrierten Biokunststoffe für den mikrobiellen Umsatz bzw. zur Biogasbildung wird erbracht. Die Implementierung einer Desintegrationsstufe in eine bestehende Vergärungsanlage wird im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit bewertet. Die Implementierung ist technisch realisierbar. Die Kosten der Implementierung übersteigen die Erlöse um ein Vielfaches. Auch bei längeren Betrachtungszeiträumen kann kein Gewinn erwirtschaftet werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es biobasierte, bioabbaubare Biokunststoffe mit einfacher Prozesstechnik zu desintegrieren und für anaerobe Mikroorganismen verfügbar zu machen. Mittels der Ergebnisse der Untersuchungen soll nachgewiesen werden, dass eine anaerobe Verwertung der desintegrierten Biokunststoffe bzw. der generierten Flüssigkeiten möglich ist. Außerdem soll ermittelt werden, welches energetische Potenzial dabei freigesetzt wird. Im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird die Implementierung einer Desintegrationsstufe in einer Vergärungsanlage bewertet. Zu Beginn der Untersuchungen wird festgestellt, dass eine anaerobe Verwertung im mesophilen und im thermophilen Bereich nur unzureichend realisierbar ist. In den anschließenden Untersuchungen werden Maßnahmen zur Beschleunigung der Desintegration von zertifizierten bioabbaubaren Biokunststoffen untersucht. Nachdem ein Nachweis der Desintegration verschiedener Biokunststoffe erbracht und aus-reichend hohe Gehalte gelöster Organik nachgewiesen werden, erfolgt im Anschluss die anaerobe Verwertung der erzeugten Flüssigkeiten in einer mesophilen, kontinuierlichen Vergärung. Die Gärtests geben Aufschluss über die Vergärbarkeit, das Biogaspotenzial, die Biogasqualität und die Abbaugrade der desintegrierten Biokunststoffe. Der höchste Abbaugrad (71,3 %) wird bei der Untersuchung der Flüssigkeiten der Ecovio®-Biobeutel erreicht. Der Abbau der Activia®-Becher (39,6 %) verlief weniger effizient und wird durch hohe Gehalte organischer Säuren und Verdünnungseffekte beeinflusst. Die real erzeugten Biogaspotenziale schwanken zwischen 0,1 lN CH4/g CSB und 0,23 lN CH4/g CSB. Die Biogasqualität während der Versuche ist sehr gut. Die Verhältnisse von CH4 zu CO2 liegen überwiegend zwischen 50:50 und 60:40. Der Nachweis der energetischen Nutzbarmachung der desintegrierten Biokunststoffe für den mikrobiellen Umsatz bzw. zur Biogasbildung wird erbracht. Die Implementierung einer Desintegrationsstufe in eine bestehende Vergärungsanlage wird im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit bewertet. Die Implementierung ist technisch realisierbar. Die Kosten der Implementierung übersteigen die Erlöse um ein Vielfaches. Auch bei längeren Betrachtungszeiträumen kann kein Gewinn erwirtschaftet werden.

The study took place in Vietnam at Hanoi University of Science in the framework of the DAAD (German Academic Exchange Service) – “An advancement of the German-Vietnamese University partnerships”. The research has been supported by the program: “Wastewater and Solid Waste Management in Provincial Centers” and belongs to its technical component. The present diploma thesis elaborates the current situation of sewage sludge management in Vietnam and is dealing with sludge characteristics from both domestic sewage treatment facilities and septic tanks. During the research, different treatment components and treatment facilities have been analyzed to carry out a comprehensive survey of sewage sludge types. In this thesis, a guideline (draft) was developed as a main result, which can be helpful to bridge the legislative gap for sewage sludge re-use in Vietnam. In conclusion, an integrated concept has been developed, which recommends the application of selected proceeding elements to treat sewage sludge and the further utilization of re-useable materials in agriculture in a controlled and environmentally-safe manner. / Die Diplomarbeit wurde im Rahmen des Deutsch-Vietnamesischem Auslandsaustauschprogramms an der „Hanoi University of Science“ verfasst. Dieses Vorhaben wurde unterstützt von dem DAAD (Deutschen Akademischen Austausch Dienst), und ist im technischem Bereich des Programms “Wastewater and Solid Waste Management in Provincial Centers“ einzugliedern. Die vorstehende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem aktuellen Klärschlammmanagement in Vietnam und liefert dabei detaillierte Resultate zu verschiedenen Klarschlammtypen aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen. Bei den Untersuchungen wurden verschiedene Abwasser- und Klärschlammbehandlungsanlagen untersucht, um einen Überblick zu den gebräuchlichen Behandlungsmethoden in Vietnam zu erarbeiten. Zusätzlich wurden die institutionellen und rechtlichen Rahmenbedingungen überprüft. Der Entwurf einer Verordnung zur Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft wurde vorgelegt, um eine bestehende rechtliche Lücke in Vietnam zu schließen. Mit dieser Arbeit wurde ein integriertes Konzept entwickelt, welches mittels verschiedene verfahrenstechnische Elemente den Klärschlamm behandelt und darauffolgend das verwertbare Material in ausgewählten landwirtschaftlichen Flächen in einer kontrollierten und umweltschonenden Weise verwertet.

The study took place in Vietnam at Hanoi University of Science in the framework of the DAAD (German Academic Exchange Service) – “An advancement of the German-Vietnamese University partnerships”. The research has been supported by the program: “Wastewater and Solid Waste Management in Provincial Centers” and belongs to its technical component. The present diploma thesis elaborates the current situation of sewage sludge management in Vietnam and is dealing with sludge characteristics from both domestic sewage treatment facilities and septic tanks. During the research, different treatment components and treatment facilities have been analyzed to carry out a comprehensive survey of sewage sludge types. In this thesis, a guideline (draft) was developed as a main result, which can be helpful to bridge the legislative gap for sewage sludge re-use in Vietnam. In conclusion, an integrated concept has been developed, which recommends the application of selected proceeding elements to treat sewage sludge and the further utilization of re-useable materials in agriculture in a controlled and environmentally-safe manner.:Abbreviations .......................................................................................................................... 4 List of Figures ......................................................................................................................... 5 List of Tables .......................................................................................................................... 6 Acknowledgement .................................................................................................................. 7 Abstract .................................................................................................................................. 8 1 Introduction ................................................................................................................... 10 2 Legal framework for sewage sludge management in Vietnam ................................. 13 2.1 Background ........................................................................................................... 13 2.2 Institutional framework .......................................................................................... 13 2.3 Legal framework.................................................................................................... 15 2.4 Standards .............................................................................................................. 18 2.4.1 Technical standards ...................................................................................... 18 2.4.2 National standards ........................................................................................ 19 2.5 Current situation .................................................................................................... 20 3 Theoretical basis for the concept ................................................................................ 22 3.1 Sewage sludge ...................................................................................................... 23 3.1.1 Sewage sludge types .................................................................................... 27 3.1.2 Quantity .......................................................................................................... 30 3.1.3 Sludge volume ............................................................................................... 30 3.1.4 Sludge composition ....................................................................................... 34 4 Municipal wastewater treatment plants ...................................................................... 47 4.1 DEWATS ............................................................................................................... 47 4.2 Waste water management program .................................................................... 48 4.2.1 Results of sludge analysis ............................................................................ 50 4.3 Learned outcomes ................................................................................................ 54 5 Sludge treatment and disposal options ...................................................................... 56 5.1 Goals of sludge treatment .................................................................................... 56 5.2 Processing elements ............................................................................................ 58 5.2.1 Pre-treatment ................................................................................................. 59 5.2.2 Transportation................................................................................................ 60 5.2.3 Stabilization.................................................................................................... 60 5.2.4 Disinfection .................................................................................................... 65 5.2.5 Removal of water .......................................................................................... 65 5.2.6 Drying ............................................................................................................. 70 5.2.7 Agricultural uses and landscape measures ................................................ 70 5.2.8 Biological re-uses .......................................................................................... 71 5.2.9 Thermal disposal (energy recovery) ............................................................ 74 5.2.10 Land-filling ...................................................................................................... 76 6 Sewage sludge management concept ....................................................................... 78 6.1 Avoidance .............................................................................................................. 79 6.2 Treatment .............................................................................................................. 79 6.2.1 Proposed treatment concept ........................................................................ 81 6.3 Re-use or Disposal ............................................................................................... 84 6.3.1 Small-scale concept ...................................................................................... 85 6.3.2 Medium- and large-scale concept ................................................................ 85 6.4 Conclusion ............................................................................................................. 86 7 Guideline (draft) ............................................................................................................ 88 7.1 Formulation of a guidance document .................................................................. 88 8 Conclusion .................................................................................................................... 89 9 References .................................................................................................................... 92 10 Appendices ................................................................................................................ 97 a) Calculation of sludge amount .................................................................................. 97 b) Guideline (draft) ........................................................................................................ 99 Declaration .......................................................................................................................... 106 / Die Diplomarbeit wurde im Rahmen des Deutsch-Vietnamesischem Auslandsaustauschprogramms an der „Hanoi University of Science“ verfasst. Dieses Vorhaben wurde unterstützt von dem DAAD (Deutschen Akademischen Austausch Dienst), und ist im technischem Bereich des Programms “Wastewater and Solid Waste Management in Provincial Centers“ einzugliedern. Die vorstehende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem aktuellen Klärschlammmanagement in Vietnam und liefert dabei detaillierte Resultate zu verschiedenen Klarschlammtypen aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen. Bei den Untersuchungen wurden verschiedene Abwasser- und Klärschlammbehandlungsanlagen untersucht, um einen Überblick zu den gebräuchlichen Behandlungsmethoden in Vietnam zu erarbeiten. Zusätzlich wurden die institutionellen und rechtlichen Rahmenbedingungen überprüft. Der Entwurf einer Verordnung zur Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft wurde vorgelegt, um eine bestehende rechtliche Lücke in Vietnam zu schließen. Mit dieser Arbeit wurde ein integriertes Konzept entwickelt, welches mittels verschiedene verfahrenstechnische Elemente den Klärschlamm behandelt und darauffolgend das verwertbare Material in ausgewählten landwirtschaftlichen Flächen in einer kontrollierten und umweltschonenden Weise verwertet.:Abbreviations .......................................................................................................................... 4 List of Figures ......................................................................................................................... 5 List of Tables .......................................................................................................................... 6 Acknowledgement .................................................................................................................. 7 Abstract .................................................................................................................................. 8 1 Introduction ................................................................................................................... 10 2 Legal framework for sewage sludge management in Vietnam ................................. 13 2.1 Background ........................................................................................................... 13 2.2 Institutional framework .......................................................................................... 13 2.3 Legal framework.................................................................................................... 15 2.4 Standards .............................................................................................................. 18 2.4.1 Technical standards ...................................................................................... 18 2.4.2 National standards ........................................................................................ 19 2.5 Current situation .................................................................................................... 20 3 Theoretical basis for the concept ................................................................................ 22 3.1 Sewage sludge ...................................................................................................... 23 3.1.1 Sewage sludge types .................................................................................... 27 3.1.2 Quantity .......................................................................................................... 30 3.1.3 Sludge volume ............................................................................................... 30 3.1.4 Sludge composition ....................................................................................... 34 4 Municipal wastewater treatment plants ...................................................................... 47 4.1 DEWATS ............................................................................................................... 47 4.2 Waste water management program .................................................................... 48 4.2.1 Results of sludge analysis ............................................................................ 50 4.3 Learned outcomes ................................................................................................ 54 5 Sludge treatment and disposal options ...................................................................... 56 5.1 Goals of sludge treatment .................................................................................... 56 5.2 Processing elements ............................................................................................ 58 5.2.1 Pre-treatment ................................................................................................. 59 5.2.2 Transportation................................................................................................ 60 5.2.3 Stabilization.................................................................................................... 60 5.2.4 Disinfection .................................................................................................... 65 5.2.5 Removal of water .......................................................................................... 65 5.2.6 Drying ............................................................................................................. 70 5.2.7 Agricultural uses and landscape measures ................................................ 70 5.2.8 Biological re-uses .......................................................................................... 71 5.2.9 Thermal disposal (energy recovery) ............................................................ 74 5.2.10 Land-filling ...................................................................................................... 76 6 Sewage sludge management concept ....................................................................... 78 6.1 Avoidance .............................................................................................................. 79 6.2 Treatment .............................................................................................................. 79 6.2.1 Proposed treatment concept ........................................................................ 81 6.3 Re-use or Disposal ............................................................................................... 84 6.3.1 Small-scale concept ...................................................................................... 85 6.3.2 Medium- and large-scale concept ................................................................ 85 6.4 Conclusion ............................................................................................................. 86 7 Guideline (draft) ............................................................................................................ 88 7.1 Formulation of a guidance document .................................................................. 88 8 Conclusion .................................................................................................................... 89 9 References .................................................................................................................... 92 10 Appendices ................................................................................................................ 97 a) Calculation of sludge amount .................................................................................. 97 b) Guideline (draft) ........................................................................................................ 99 Declaration .......................................................................................................................... 106

Die folgende Arbeit beschreibt Potentiale und Risiken der Nutzung industrieller Abprodukte am Beispiel des Apfeltrester – einem Pressrückstand der Apfelsaftgewinnung. Dieser spielt aus finanzieller und ökologischer Sicht als Abprodukt eine steigende Rolle bei der Biogassynthese. Dabei werden die Ergebnisse des vorangegangenen Fachpraktikums vorgestellt und diskutiert. Darauf aufbauend wurden Thesen erstellt und anhand ermittelter Messwerte sowie der Literatur verifiziert. Schlussendlich werden in einer Wirtschaftlichkeitsrechnung Kosten von Bezug, Lagerung und Beschickung den Gewinnen aus der Einspeisevergütung gegenüber gestellt. Es konnte gezeigt werden, dass Apfeltrester unter Laborbedingungen nicht die befürchtete Übersäuerung des anaeroben Abbauprozesses zur Folge hatte, sondern unter vergleichbaren Erträgen mit leicht höherer Sicherheit zur Maissilage bis zu einem gewissen Anteil zu Maissilage und Stallgülle zugesetzt werden kann.:Abstract 4 Zusammenfassung 4 Abkürzungsverzeichnis 5 1 Literaturrecherche 6 1.1 Grundlagen zur Biogassynthese 6 1.1.1. Übersicht des anaeroben Abbaus organischer Substanzen 6 1.1.1 Abgrenzung zum aeroben Abbau 6 1.1.2 Ausgangsprodukte 7 1.2 Phasen der Biogasbildung 11 1.2.1 Hydrolyse 11 1.2.2 Acidogenese 12 1.2.3 Acedogenese 12 1.2.4 Methanogenese 13 1.3 Einflussfaktoren des Biogasprozesses 14 1.3.1 Temperatur 14 1.3.2 pH-Wert und Gehalt an Fettsäuren 15 1.3.3 Nährstoffversorgung und Hemmstoffe 16 1.4 Verfahrenstechnische Betriebsparameter 18 1.4.1 Faulraumbelastung 18 1.4.2 Hydraulische Verweilzeit 18 2 Material und Methoden 20 2.1 Ausgangsmaterialien 20 2.1.1 Apfeltrester der Kelterei „Sachsenobst“ 20 2.1.2 Maissilage des „LLH Eichhof“ 24 2.1.3 Stallgülle des „LLH Eichhof“ 25 2.1.4 Fermentergülle des „LLH Eichhof“ 26 2.2 Diskontinuierlicher Gärtest (Batch-Versuch) 27 2.2.1 Apparativer Aufbau 27 2.2.2 Versuchsdurchführung 29 2.3 Kontinuierlicher Gärversuch 30 2.3.1 Apparativer Aufbau 30 2.3.2 Versuchsdurchführung 31 3 Ergebnisse 38 3.1 Biogasertragsermittlung 38 3.1.1 Variante „Null“ 39 3.1.2 Cellulose als Referenz 39 3.1.3 Apfeltrester 40 3.1.4 Maissilage 41 3.2 Kontinuierlicher Versuch 42 3.2.1 Erläuterung der dargestellten Diagramme 42 3.2.2 Variante „Null“ 45 3.2.3 Variante „Mais“ 48 3.2.4 Variante „Mix“ 53 3.2.5 Variante „Trester“ 57 4 Diskussion 62 4.1 Fehlerrechnung und -diskussion 62 4.1.1 Systematische Fehler der Laborversuche 62 4.1.2 Zufällige Fehler der Laborversuche 64 4.1.3 Fehlerrahmen und Vergleichbarkeit der Ergebnisse 65 4.2 Thesen 67 4.2.1 Die Vergärung von Apfeltrester als Co-Fermentat hat nur wenig Einfluss auf Ertrag und Stabilität des Gärprozesses unter Einsatzbedingungen 67 4.2.2 Die Zugabe von Apfeltrester verdünnt das Fermentat 72 4.2.3 Weder Lagerdauer noch Konservierung des Apfeltresters beeinflussen messbar den Methanertrag 75 5 Einsatz von Apfeltrester als Co-Fermentat in BGA 76 5.1 Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen 76 5.2 Technische und wirtschaftliche Annahmen 81 5.3 Vorstellung der Vergleichsfälle 86 5.3.1 Optimierung hinsichtlich diskreter Parameter des Transports 86 5.3.2 Optimierung hinsichtlich der Verteilung des Tresters 87 5.3.3 Verwertung des Gärrestes 90 6 Fazit 93 Literaturverzeichnis 95 Abbildungsverzeichnis 100 Tabellenverzeichnis 103 Eidesstattliche Erklärung 105 Anhang 106 / Due to the increasing ecological and financial importance of industrial waste products in the recovery of biogas the following thesis describes potentials and risks of the usage of one of these products using apple pomace – the filter cake of the apple juice production. Thereby the issues of the three-month practical course in the LHL Eichhof, a laboratory in middle Germany, are shown and discussed. As conclusion several theses are given and verified with help of the taken measurements and scientific literature. At the end an economical calculation compares the present costs of purchase, storage and processing with the proceeds of the reimbursement by the german renewable energy sources act (EEG). Against the misgiving that apple pomace could decrease the pH-value to an unacceptable level for the anaerobic decomposition process the fermentation of this product gets a comparable output even with a little more reliability compared to corn silage when added up to a defined level to corn silage and slurry.:Abstract 4 Zusammenfassung 4 Abkürzungsverzeichnis 5 1 Literaturrecherche 6 1.1 Grundlagen zur Biogassynthese 6 1.1.1. Übersicht des anaeroben Abbaus organischer Substanzen 6 1.1.1 Abgrenzung zum aeroben Abbau 6 1.1.2 Ausgangsprodukte 7 1.2 Phasen der Biogasbildung 11 1.2.1 Hydrolyse 11 1.2.2 Acidogenese 12 1.2.3 Acedogenese 12 1.2.4 Methanogenese 13 1.3 Einflussfaktoren des Biogasprozesses 14 1.3.1 Temperatur 14 1.3.2 pH-Wert und Gehalt an Fettsäuren 15 1.3.3 Nährstoffversorgung und Hemmstoffe 16 1.4 Verfahrenstechnische Betriebsparameter 18 1.4.1 Faulraumbelastung 18 1.4.2 Hydraulische Verweilzeit 18 2 Material und Methoden 20 2.1 Ausgangsmaterialien 20 2.1.1 Apfeltrester der Kelterei „Sachsenobst“ 20 2.1.2 Maissilage des „LLH Eichhof“ 24 2.1.3 Stallgülle des „LLH Eichhof“ 25 2.1.4 Fermentergülle des „LLH Eichhof“ 26 2.2 Diskontinuierlicher Gärtest (Batch-Versuch) 27 2.2.1 Apparativer Aufbau 27 2.2.2 Versuchsdurchführung 29 2.3 Kontinuierlicher Gärversuch 30 2.3.1 Apparativer Aufbau 30 2.3.2 Versuchsdurchführung 31 3 Ergebnisse 38 3.1 Biogasertragsermittlung 38 3.1.1 Variante „Null“ 39 3.1.2 Cellulose als Referenz 39 3.1.3 Apfeltrester 40 3.1.4 Maissilage 41 3.2 Kontinuierlicher Versuch 42 3.2.1 Erläuterung der dargestellten Diagramme 42 3.2.2 Variante „Null“ 45 3.2.3 Variante „Mais“ 48 3.2.4 Variante „Mix“ 53 3.2.5 Variante „Trester“ 57 4 Diskussion 62 4.1 Fehlerrechnung und -diskussion 62 4.1.1 Systematische Fehler der Laborversuche 62 4.1.2 Zufällige Fehler der Laborversuche 64 4.1.3 Fehlerrahmen und Vergleichbarkeit der Ergebnisse 65 4.2 Thesen 67 4.2.1 Die Vergärung von Apfeltrester als Co-Fermentat hat nur wenig Einfluss auf Ertrag und Stabilität des Gärprozesses unter Einsatzbedingungen 67 4.2.2 Die Zugabe von Apfeltrester verdünnt das Fermentat 72 4.2.3 Weder Lagerdauer noch Konservierung des Apfeltresters beeinflussen messbar den Methanertrag 75 5 Einsatz von Apfeltrester als Co-Fermentat in BGA 76 5.1 Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen 76 5.2 Technische und wirtschaftliche Annahmen 81 5.3 Vorstellung der Vergleichsfälle 86 5.3.1 Optimierung hinsichtlich diskreter Parameter des Transports 86 5.3.2 Optimierung hinsichtlich der Verteilung des Tresters 87 5.3.3 Verwertung des Gärrestes 90 6 Fazit 93 Literaturverzeichnis 95 Abbildungsverzeichnis 100 Tabellenverzeichnis 103 Eidesstattliche Erklärung 105 Anhang 106

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.