Kitchen waste is the certain man-made trash in our daily life. It is mainly the water and oil, which is easy to decompose. In Taiwan, there is about 20,000 metric tons of family rubbish everyday, and approximately 20% to 30% of the rubbish is organic substance. Moreover, kitchen waste has a significant contribution on the total amount of rubbish. Thus, reduction and recycling of kitchen waste becomes an important issue, and it needs to be solved immediately. According to the article of Water Pollutant Prevention Act revised by Environmental Protection Bureau on 26 April 2000, wastewater discharges from apartment buildings need to be treated to meet the discharge standards. Furthermore, the discharge standards will be even more stringent in the near future. Kitchen wastewater includes liquids of kitchen rubbish, liquid of waste oil, and wastewater from grinding machines for food waste crushing. If all of the above polluting wastewater is discharged directly to the sewer system, the cost for sewer system maintenance would be huge. To protect the ecosystem and to minimize the cost of sewer system maintenance, kitchen waste and its wastewater need to be effectively treated. In this study, a kitchen waste treatment system is designed and constructed. This system is able to treat kitchen wastewater efficiently and effectively. Moreover, this system is easy to operate and maintain with less maintenance cost. The treated wastewater could meet the discharge standards with 91.4% of suspended solid removal, 91% of chemical oxygen demand (COD) removal, 96.7% of biochemical oxygen demand (BOD) removal, and 100% of grease removal.

Kitchen waste, which is collected in large amounts from cafeterias, restaurants, dining halls, food processing plants, and household kitchens, have become a valuable material for bioprocess engineering. Due to the high carbohydrate fraction, kitchen waste has great potential to be used as a potential substrate for ethanol production. Utilization of it as a raw material in ethanol fermentation would also contribute to reduction of costs. In the first part of this study, the effect of pretreatment method and enzymatic hydrolysis on glucose production was evaluated. Dry baker&rsquo / s yeast, Saccharomyces cerevisiae, was used in fermentation experiments conducted with and without fermentation medium at pH 4.5 and 30oC for 48 hours. Close values of glucose concentration were obtained from no pretreated and hot water treated samples. The fermentation results indicated that ethanol can be produced at similar concentrations in bioreactors with and without fermentation medium addition (p &gt / 0.05). Thus, it is concluded that use of kitchen wastes as is disposed and without fermentation medium in ethanol fermentation could lower the cost to a large extent. In the second part of this study, the effects of solid load, which is proportional to the glucose concentration (10% to 20% (w/w)), inoculum level of Saccharomyces cerevisiae (5% to 15% (v/v)), and fermentation time (48 to 96 h) on production of bioethanol from kitchen waste were studied using Response Surface Methodology (RSM). A three-factor Box Behnken design was used. Ethanol concentration was used as a response in the resulting experimental design. High Pressure Liquid Chromatography (HPLC) method was used to determine ethanol and glucose concentrations. The statistical analysis of the constructed model developed by RSM suggested that linear effects of solid load, inoculum level, and fermentation time and quadratic effects of inoculum level and fermentation time were all significant (p &lt / 0.05) on bioethanol production. The model was verified by additional runs, which were not present in the design matrix. It was found that the constructed model could be used to determine successfully the bioethanol concentration with &gt / 90% precision. An optimum ethanol concentration of 32.16 g/L was suggested by the model with 20% (w/w) solid load, 8.85% (v/v) inoculum level and 58.8 hours of fermentation. Further study is needed to evaluate the optimal fermentation conditions in a large scale fermentation

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer übertragbaren Methodik zur Bestimmung des theoretischen und technischen Grünschnittpotenzials (inkl. Küchenabfall) in einem Modellgebiet. Diese soll bundesweit, im ordnungspolitisch geregelten Raum, applizierbar sein und Handlungsoptionen zur ressourceneffizienten Biomassebereitstellung liefern. In einem zweiten Schritt sollen Strategien zur Umsetzung von formulierten Zielen zur Energiebereitstellung durch Grünschnitt und unter Partizipation von lokalen Akteuren bereitgestellt werden. Hierbei werden der Top-down- und Bottom-up-Ansatz miteinander verknüpft, um zeitnah Umsetzungsprojekte zu initiieren. Ausgangspunkt ist hierbei eine detaillierte Flächenanalyse der Modellregion Havelland-Fläming (Planungsregion-HFL) nach Art der tatsächlichen Nutzung mit dem Fokus auf Siedlungs- und Verkehrsflächen, sowie Wasserflächen. Diese Flächen unterliegen vegetationstechnischen Pflegemaßnahmen und werden mit spezifischen Aufwuchsfaktoren entlang ihrer flächen- bzw. linienförmigen Ausprägung untersetzt, um das theoretische Grünschnittpoten-zial aufzeigen zu können. Gleichzeitig erfolgt die Betrachtung von Trends der Flächeninanspruchnahme in Verbindung mit dem demografischen Wandel, um zukünftige Veränderungen des Grünschnittpotenzials beschreiben zu können. Das Küchenabfallpotenzial wird auf Grundlage eines einwohnerspezifischen Aufkommens bilanziert. Auf Grundlage dieser Berechnungen wurde das Fokusgebiet Mittelbereich Bad Belzig infolge von Interessensbekundungen eruiert. Das theoretische Grünschnittpotenzial für den MB Bad Belzig umfasst eine Menge von 22.202 Mg/ a, welche durch vegetationstechnische Pflegemaßnahmen erzielt werden können. Gebäude- und Freiflächen liefern mit 52 % und ca. 11.600 Mg/ a den größten Anteil am Grünschnittpotenzial. Unter Berücksichtigung der tech-nischen sowie strukturellen und ökologischen Restriktionen umfasst das technisch-verfügbare Potenzial ein Drittel des theoretischen Grünschnittpotenzials. Mit Hilfe der Partizipation lokaler Akteure wurden Dissonanzen erarbeitet, welche Hürden bei der Erschließung des Grünschnittpotenzials darstellen. Hieraus wurden Handlungsoptionen entwickelt, die zu tragfähigen Lösungen im Zuge der „ressourceneffizienten und emissionsarmen Energiebereitstellung“ führten. Im Rahmen der Strategieentwicklung wurde der Fokus auf Grünschnitt aus der öffentlichen und privaten Grünflächenpflege gelegt. Hierbei können 4.122 Mg/ a Grasschnitt und 1.375 Mg/ a Holz akquiriert werden. Diese sollen in einer bestehenden Biogasanlage (Gras-schnitt) respektive in Sägewerken (Holz) einer energetischen Nutzung zugeführt werden. Verbleibende Potenziale, welche nicht in die Strategieentwicklung inkludiert sind, könnten durch strukturelle Veränderung zukünftig ebenso anteilig der energetischen Verwertung zugeführt werden. / In the present dissertation the development of a methodology to determine the green waste potential (incl. kitchen waste) is described in a pilot area. The methodology shall be trans-ferable to the municipal sector throughout Germany. In addition options for a resourceefficient supply of biomass shall be provided. In the second part strategies for the energetic utilization of green waste are evolved by participation of local players. In this context the top-down and bottom-up approaches are linked to initiate implementation projects within a narrow time frame. The initial point is a detailed land analysis in the pilot area Havelland – Fläming by types of actual land use. The research focuses on land used for human settlement and traffic area. Green waste originates through landscape maintenance. The arising amount can be calcu-lated with specific growth factors along the linear form or surface profile. Trends in demographic change and additional land use are considered simultaneously to determine further variations in green waste potential. The potential of kitchen waste is calculated by means of specific waste quantities per head. As a result of the calculated green waste potentials and expression of interest in the pilot area the destination area “Mittelbereich Bad Belzig” was chosen. The theoretic green waste potential in this area amounts to 22.202 Mg/ year. Yard and buildings account for 52 % respectively 11.600 Mg/ year. One third of the theoretic green waste potential is technically available considering technical, structural and environmental restrictions. Obstacles in exploitation of the green waste potential were figured out with participation of local players. Following this, courses of action were developed to lead to a resourceefficient and low-emission energy supply by previously unutilized biomass. Within the framework of strategy formation the focus was on green waste from maintenance of private and public green areas. The technically available green waste out of these types of land use amounts 4.122 Mg/ year grass cutting and 1.375 Mg/ year ligneous material. The energetic utilization shall take place in an existing biogas plant (grass cutting) respectively in sawmills. As part of structural changes in the future remaining potentials can be implemented partial in the planned energetic utilization.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer übertragbaren Methodik zur Bestimmung des theoretischen und technischen Grünschnittpotenzials (inkl. Küchenabfall) in einem Modellgebiet. Diese soll bundesweit, im ordnungspolitisch geregelten Raum, applizierbar sein und Handlungsoptionen zur ressourceneffizienten Biomassebereitstellung liefern. In einem zweiten Schritt sollen Strategien zur Umsetzung von formulierten Zielen zur Energiebereitstellung durch Grünschnitt und unter Partizipation von lokalen Akteuren bereitgestellt werden. Hierbei werden der Top-down- und Bottom-up-Ansatz miteinander verknüpft, um zeitnah Umsetzungsprojekte zu initiieren. Ausgangspunkt ist hierbei eine detaillierte Flächenanalyse der Modellregion Havelland-Fläming (Planungsregion-HFL) nach Art der tatsächlichen Nutzung mit dem Fokus auf Siedlungs- und Verkehrsflächen, sowie Wasserflächen. Diese Flächen unterliegen vegetationstechnischen Pflegemaßnahmen und werden mit spezifischen Aufwuchsfaktoren entlang ihrer flächen- bzw. linienförmigen Ausprägung untersetzt, um das theoretische Grünschnittpoten-zial aufzeigen zu können. Gleichzeitig erfolgt die Betrachtung von Trends der Flächeninanspruchnahme in Verbindung mit dem demografischen Wandel, um zukünftige Veränderungen des Grünschnittpotenzials beschreiben zu können. Das Küchenabfallpotenzial wird auf Grundlage eines einwohnerspezifischen Aufkommens bilanziert. Auf Grundlage dieser Berechnungen wurde das Fokusgebiet Mittelbereich Bad Belzig infolge von Interessensbekundungen eruiert. Das theoretische Grünschnittpotenzial für den MB Bad Belzig umfasst eine Menge von 22.202 Mg/ a, welche durch vegetationstechnische Pflegemaßnahmen erzielt werden können. Gebäude- und Freiflächen liefern mit 52 % und ca. 11.600 Mg/ a den größten Anteil am Grünschnittpotenzial. Unter Berücksichtigung der tech-nischen sowie strukturellen und ökologischen Restriktionen umfasst das technisch-verfügbare Potenzial ein Drittel des theoretischen Grünschnittpotenzials. Mit Hilfe der Partizipation lokaler Akteure wurden Dissonanzen erarbeitet, welche Hürden bei der Erschließung des Grünschnittpotenzials darstellen. Hieraus wurden Handlungsoptionen entwickelt, die zu tragfähigen Lösungen im Zuge der „ressourceneffizienten und emissionsarmen Energiebereitstellung“ führten. Im Rahmen der Strategieentwicklung wurde der Fokus auf Grünschnitt aus der öffentlichen und privaten Grünflächenpflege gelegt. Hierbei können 4.122 Mg/ a Grasschnitt und 1.375 Mg/ a Holz akquiriert werden. Diese sollen in einer bestehenden Biogasanlage (Gras-schnitt) respektive in Sägewerken (Holz) einer energetischen Nutzung zugeführt werden. Verbleibende Potenziale, welche nicht in die Strategieentwicklung inkludiert sind, könnten durch strukturelle Veränderung zukünftig ebenso anteilig der energetischen Verwertung zugeführt werden.:Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS IV TABELLENVERZEICHNIS VI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS VII 1 EINLEITUNG 1 2 STAND DES WISSENS 4 2.1 Biomasse 4 2.1.1 Definition des Biomasse-Begriffes 4 2.1.2 Anteil der Biomasse am Primärenergieverbrauch 4 2.1.3 Abgrenzung der Biomasse nach Ursprung 6 2.1.4 Abgrenzung der Biomasse nach Nutzung 9 2.2 Biomassepotenzialstudien 9 2.2.1 Potenzialdefinitionen 9 2.2.2 Biomassepotenzial nach Ursprung 11 2.3 Biomassepotenzial urbanen Ursprungs 16 2.3.1 Bioabfall/ Küchenabfall 16 2.3.2 Grünschnitt 18 2.3.3 Status Quo der Verwertung 23 2.4 Bodenflächennutzung und demografischer Wandel 28 2.4.1 Begriffsdefinition 28 2.4.2 Flächennutzungsarten 29 2.4.3 Siedlungs- und Verkehrsflächen 31 2.5 Szenarioverfahren 34 2.5.1 Methodische Charakterisierung 34 2.5.2 Phasen der Szenarienkonstruktion 36 2.5.3 Partizipatives Backcasting 37 3 MOTIVATION UND ZIELSTELLUNG 39 4 METHODISCHER ANSATZ 41 4.1 Empirisch-statistischer Ansatz 41 4.1.1 Berechnung des Grünschnitt- und Küchenabfallpotenzials 41 4.1.2 Berechnung der zukünftigen Flächeninanspruchnahme 44 4.1.3 Prognosen zur kleinräumigen Bevölkerungsentwicklung 45 4.2 Explorativ-normativer Szenarienansatz 46 4.2.1 Ist-Stands-Analyse – 1. Phase 47 4.2.2 Feinanalyse – 2. Phase 47 4.2.3 Strategieentwicklung – Phase 3 49 5 ERGEBNISSE DER IST-STANDS-ANALYSE 50 5.1 Demografischer Wandel 50 5.2 Flächennutzung und –inanspruchnahme 52 5.2.1 Siedlungs- und Verkehrsflächen der Planungsregion-HFL 52 5.2.2 Flächeninanspruchnahme bis zum Jahr 2030 53 5.3 Bioenergieanlagen in der Planungsregion-HFL 56 5.4 Küchenabfallpotenzial 59 5.5 Grünschnittpotenzial 60 5.5.1 Grünschnittpotenzial nach Flächennutzungsart 60 5.5.2 Typisierte Grünschnittpotenziale 63 5.6 Abfallwirtschaftliche Infrastruktur 66 6 ERGEBNISSE DER FEINANALYSE 70 6.1 Abfallstämmige Biomassen im Fokusraum 70 6.1.1 Verortung der Grünschnittpotenziale im MB Bad Belzig 70 6.1.2 Grünschnittpotenziale zur energetischen Verwertung 71 6.1.3 Jahreszeitlich bedingtes Aufkommen 73 6.2 Erarbeitung von Leitlinien 74 6.3 Akteursanalyse und –ansprache 76 6.3.1 Durchführung einer Interviewkampagne 76 6.3.2 Auswertung der Interviewkampagne 77 6.4 Dissonanzen 80 6.4.1 Zieldissonanzen 80 6.4.2 Sachdissonanzen 81 6.4.3 Strategische Dissonanzen 82 6.5 Handlungsoptionen 83 6.5.1 Eingrenzung der Tätigkeitsfelder 83 6.5.2 Installation eines Erfassungssystems 83 6.5.3 Stoffstromtrennung 84 6.5.4 Verwertungssysteme 85 6.6 Zielkonkretisierung 88 6.7 Strategieentwicklung 90 6.8 Energieflussanalyse für Grünschnitte im MB Bad Belzig 91 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 93 7.1 Bewertung der entwickelten Methodik 93 7.2 Implementierung der Ressource Grünschnitt in kommunale Verwertungstrukturen 94 7.3 Partizipation regionaler Akteure 96 8 LITERATURVERZEICHNIS 97 9 ANLAGENVERZEICHNIS 118 / In the present dissertation the development of a methodology to determine the green waste potential (incl. kitchen waste) is described in a pilot area. The methodology shall be trans-ferable to the municipal sector throughout Germany. In addition options for a resourceefficient supply of biomass shall be provided. In the second part strategies for the energetic utilization of green waste are evolved by participation of local players. In this context the top-down and bottom-up approaches are linked to initiate implementation projects within a narrow time frame. The initial point is a detailed land analysis in the pilot area Havelland – Fläming by types of actual land use. The research focuses on land used for human settlement and traffic area. Green waste originates through landscape maintenance. The arising amount can be calcu-lated with specific growth factors along the linear form or surface profile. Trends in demographic change and additional land use are considered simultaneously to determine further variations in green waste potential. The potential of kitchen waste is calculated by means of specific waste quantities per head. As a result of the calculated green waste potentials and expression of interest in the pilot area the destination area “Mittelbereich Bad Belzig” was chosen. The theoretic green waste potential in this area amounts to 22.202 Mg/ year. Yard and buildings account for 52 % respectively 11.600 Mg/ year. One third of the theoretic green waste potential is technically available considering technical, structural and environmental restrictions. Obstacles in exploitation of the green waste potential were figured out with participation of local players. Following this, courses of action were developed to lead to a resourceefficient and low-emission energy supply by previously unutilized biomass. Within the framework of strategy formation the focus was on green waste from maintenance of private and public green areas. The technically available green waste out of these types of land use amounts 4.122 Mg/ year grass cutting and 1.375 Mg/ year ligneous material. The energetic utilization shall take place in an existing biogas plant (grass cutting) respectively in sawmills. As part of structural changes in the future remaining potentials can be implemented partial in the planned energetic utilization.:Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS IV TABELLENVERZEICHNIS VI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS VII 1 EINLEITUNG 1 2 STAND DES WISSENS 4 2.1 Biomasse 4 2.1.1 Definition des Biomasse-Begriffes 4 2.1.2 Anteil der Biomasse am Primärenergieverbrauch 4 2.1.3 Abgrenzung der Biomasse nach Ursprung 6 2.1.4 Abgrenzung der Biomasse nach Nutzung 9 2.2 Biomassepotenzialstudien 9 2.2.1 Potenzialdefinitionen 9 2.2.2 Biomassepotenzial nach Ursprung 11 2.3 Biomassepotenzial urbanen Ursprungs 16 2.3.1 Bioabfall/ Küchenabfall 16 2.3.2 Grünschnitt 18 2.3.3 Status Quo der Verwertung 23 2.4 Bodenflächennutzung und demografischer Wandel 28 2.4.1 Begriffsdefinition 28 2.4.2 Flächennutzungsarten 29 2.4.3 Siedlungs- und Verkehrsflächen 31 2.5 Szenarioverfahren 34 2.5.1 Methodische Charakterisierung 34 2.5.2 Phasen der Szenarienkonstruktion 36 2.5.3 Partizipatives Backcasting 37 3 MOTIVATION UND ZIELSTELLUNG 39 4 METHODISCHER ANSATZ 41 4.1 Empirisch-statistischer Ansatz 41 4.1.1 Berechnung des Grünschnitt- und Küchenabfallpotenzials 41 4.1.2 Berechnung der zukünftigen Flächeninanspruchnahme 44 4.1.3 Prognosen zur kleinräumigen Bevölkerungsentwicklung 45 4.2 Explorativ-normativer Szenarienansatz 46 4.2.1 Ist-Stands-Analyse – 1. Phase 47 4.2.2 Feinanalyse – 2. Phase 47 4.2.3 Strategieentwicklung – Phase 3 49 5 ERGEBNISSE DER IST-STANDS-ANALYSE 50 5.1 Demografischer Wandel 50 5.2 Flächennutzung und –inanspruchnahme 52 5.2.1 Siedlungs- und Verkehrsflächen der Planungsregion-HFL 52 5.2.2 Flächeninanspruchnahme bis zum Jahr 2030 53 5.3 Bioenergieanlagen in der Planungsregion-HFL 56 5.4 Küchenabfallpotenzial 59 5.5 Grünschnittpotenzial 60 5.5.1 Grünschnittpotenzial nach Flächennutzungsart 60 5.5.2 Typisierte Grünschnittpotenziale 63 5.6 Abfallwirtschaftliche Infrastruktur 66 6 ERGEBNISSE DER FEINANALYSE 70 6.1 Abfallstämmige Biomassen im Fokusraum 70 6.1.1 Verortung der Grünschnittpotenziale im MB Bad Belzig 70 6.1.2 Grünschnittpotenziale zur energetischen Verwertung 71 6.1.3 Jahreszeitlich bedingtes Aufkommen 73 6.2 Erarbeitung von Leitlinien 74 6.3 Akteursanalyse und –ansprache 76 6.3.1 Durchführung einer Interviewkampagne 76 6.3.2 Auswertung der Interviewkampagne 77 6.4 Dissonanzen 80 6.4.1 Zieldissonanzen 80 6.4.2 Sachdissonanzen 81 6.4.3 Strategische Dissonanzen 82 6.5 Handlungsoptionen 83 6.5.1 Eingrenzung der Tätigkeitsfelder 83 6.5.2 Installation eines Erfassungssystems 83 6.5.3 Stoffstromtrennung 84 6.5.4 Verwertungssysteme 85 6.6 Zielkonkretisierung 88 6.7 Strategieentwicklung 90 6.8 Energieflussanalyse für Grünschnitte im MB Bad Belzig 91 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 93 7.1 Bewertung der entwickelten Methodik 93 7.2 Implementierung der Ressource Grünschnitt in kommunale Verwertungstrukturen 94 7.3 Partizipation regionaler Akteure 96 8 LITERATURVERZEICHNIS 97 9 ANLAGENVERZEICHNIS 118

The main objective of this master’s thesis is to develop design equipment for thermomechanical pre-treatment of biodegradable waste. An important aspect of the design is taking into account current legislation, sanitary conditions for determining the pre-treated biodegradable material, which also serves as a raw material for biogas production. So the device will be used to monitor the impact of thermomechanical pre-treatment of biodegradable waste for biogas recovery. The following describes the processes of anaerobic decomposition of biodegradable materials and technology, whose main task is intensification of anaerobic decomposition of organic materials. The theoretical work are given various methods of processing and utilization of biodegradable wastes, focusing on kitchen waste and sludge from sewage plants. The next section describes the various factors that may affect the stability of the process of biogas generation. This also results in yield and chemical composition of biogas. A key part of this master’s thesis is to develop technical documentation and an approximate calculation of the hot slurry.