Die anaerobe Gärung stellt eine Möglichkeit zur Abfallbeseitigung/-minimierung bei gleichzeitiger Erzeugung eines Energieträgers (Biogas) dar. Abhängig von der organischen Substanz des Ausgangsmaterials, vor allem seines Stickstoffgehaltes, kann die Effektivität dieses auf bakterieller Aktivität beruhenden Verfahrens begrenzt sein, wenn aufgrund der Anreicherung von Ammoniak das Bakterienwachstum gehemmt wird (GALLERT et al. 1998; KAYHANIAN 1999). In verschiedenen Studien wurde der Einfluss von Zeolithen auf den Gärprozess untersucht. Wenn auch das Ziel der anaeroben Gärung in Biogasanlagen – eine möglichst hohe Methanausbeute – dem Ansinnen der Rinderfütterung mehr oder weniger diametral entgegen steht, handelt es sich dennoch um ein dem Pansen vergleichbares Habitat mit entsprechendem Stoffwechselmilieu (HOBSON et al. 1982), deshalb sollen einige Ergebnisse im Folgenden zusammenfassend wiedergegeben werden. Im Anhang (Kapitel 9.10) findet sich eine tabellarische Auflistung der Versuchsergebnisse.
Als Maß für die im Gärsubstrat enthaltene organische Substanz wird dessen chemischer Sauerstoffbedarf [(T)COD] bestimmt. Die Differenz zwischen dem (T)COD vor Beginn der anaeroben Gärung und dem (geringeren) am Ende zeigt den Abbau der organischen Substanz durch die Bakterien an. Je geringer die finalen Werte ausfallen, desto effektiver ist die organische Substanz durch mikrobielle Fermentation abgebaut worden.
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Die Zulage von Zeolith führte dosisabhängig zu einem geringeren finalen (T)COD (gleichbedeutend mit einer Verbesserung des Abbaus organischer Substanz) oder zu einem höheren abschließenden chemischen Sauerstoffbedarf als unter Kontroll-bedingungen. Die prozentual höchste Verbesserung (−48,0 %) erzielten MONTALVO et al. (2005) mit einer Zulage von 0,10 g natürlichem Zeolith pro Gramm organischem Feststoffgehalt im Inokulum, allerdings reduzierte sich der finale TCOD bei Zulage von Sand in der gleichen Dosierung mit −49,1 % ebenso deutlich. Den größten hemmenden Einfluss auf den Abbau organischer Substanz wiesen MONTALVO et al. (2006) mit dem gleichen Zeolith bei einer Dosis von 0,50 g/g VSS des Inokulums nach, der TCOD lag am Ende 13 Prozent über dem der Kontrolle.
Statt des gemessenen chemischen Sauerstoffbedarfs bzw. zusätzlich dazu gaben einige Autoren die aus dem Vergleich von initialem zu abschließendem TCOD berechnete prozentuale Abbaurate desselben an.
Nur in einem Versuchsansatz kam es durch die Zulage von Zeolith zu einer Verschlechterung der prozentualen (T)COD-Abbaurate um knapp fünf Prozent (MONTALVO et al. 2006, s. auch Tabelle 9.19). Die höchste Steigerung (+133 %) wurde von WANG et al. (2011) nachgewiesen, die einen synthetischen Zeolith in einem porösen Nylonbeutel in die Inkubationssuspension hängten. In dieser Studie lag das Niveau der Abbaurate unter Kontrollbedingungen mit 20,0 % deutlich unter dem in den anderen aufgeführten Experimenten (mind. 55,0 %), und in einem weiteren Ansatz in derselben Studie, in dem der Zeolith frei auf den Boden des Reaktors abgesunken war, war die TCOD-Abbaurate gegenüber der Kontrolle unverändert.
Das Ziel der Prozesssteuerung der anaeroben Gärung zum Abbau organischer Substanz in Biogasanlagen ist es, eine hohe Stoffwechselaktivität der methanogenen Mikroorganismen (Archaea) zu erreichen, so dass diese einen möglichst großen Teil des durch den Kohlenhydratabbau entstandenen Acetats und Wasserstoffs zu Methan metabolisieren.
Für die Methanproduktion (akkumuliert über die Versuchsdauer) zeichneten sich ein dosisabhängiger Einfluss der Zeolithzulage sowie eine Abhängigkeit von der
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eingesetzten Zeolithspezies ab. Sowohl das größte Plus von 511 % als die größte Reduzierung (−40,0 %) verzeichneten TADA et al. (2005). Dabei war im ersten Fall ein natürlicher Mordenit eingesetzt worden, im zweiten war ein synthetischer Zeolith (Zeolith 4A) zum Einsatz gekommen.
Anstelle der über die gesamte Versuchsdauer produzierten Methanmenge wurde von MONTALVO et al. (2006) die durchschnittliche tägliche Methanproduktion erfasst.
WANG et al. (2011) bestimmten die maximale tägliche CH4-Produktion, um auch die zeitliche Entwicklung der anaeroben Gärung in den drei Versuchsansätzen vergleichen zu können. In der Studie von MONTALVO et al. (2006) erhöhte die Zeolithzulage die durchschnittliche tägliche CH4-Produktion, abhängig vom Anwendungsprotokoll, zwischen 11 und ca. 30 Prozent. Inwieweit die verschiedenen Anwendungszeitpunkte dabei zu einer veränderten Dosis führten, ist der Beschreibung des Versuchsaufbaus nicht zu entnehmen. Der von WANG et al.
(2011) verwendete Zeolith 3A führte in der Inkubationssuspension hängend annähernd zu einer Verdopplung der maximalen täglichen Methanproduktion. Erzielt wurde dieser Maximalwert am 24. Inkubationstag, während die Biogasproduktion in der Kontrolle erst an Tag 30 ihren Höchstwert erreichte. Am Boden des Reaktionsgefäßes liegend hatte der gleiche Zeolith keinen Einfluss auf die Methanproduktion.
Der in Proteinen bzw. (Poly-)Peptiden und Aminosäuren sowie Harnstoff gebundene Substratstickstoff wird im katabolen Stoffwechsel der Mikroorganismen in Form von Ammoniak bzw. Ammonium freigesetzt. Zwar wird ein Teil des anfallenden NH3
wieder zur De-novo-Synthese von Proteinen verwendet, doch bereits eine Konzentration von 8,81 mmol/ℓ NH3 wurde von KUGELMAN und McCARTY (1965) bei einem pH-Wert von 8,0 als toxisch für die anaerobe Gärung eingestuft. In einer Studie von VAN VELSEN (1979) kam es bei einer Ammoniumkonzentration von 83,2–166 mmol/ℓ oberhalb eines pH-Wertes von 7,4 zur Hemmung der anaeroben Gärung. Eine der Arbeitshypothesen der Studien bezog sich auf eine mögliche Verringerung der Ammoniakkonzentration durch Ionenaustausch bzw. Adsorption an der Zeolithoberfläche (WANG et al. 2011).
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Die Minderung des Gesamtammoniakgehalts (NHx-N-Gehalts) durch Zeolithzulage reichte von 0 bis beinahe 50 Prozent. Dabei waren Einflüsse der Applikationsart, der Zeolithspezies und des Gesamtgehalts organischen Stickstoffs im Substrat feststellbar (s. Tabelle 9.22).
Die relativ langsame Teilungsrate der Methanogenen macht es erforderlich, dass für einen weitgehenden Abbau der organischen Substanz bzw. für die Methanogenese aus Acetat die Fermenter mit längeren hydraulischen Verweilzeiten von 10 bis 30 Tagen betrieben werden. Um die Prozesseffizienz zu steigern, ist deshalb eine hohe mikrobielle Dichte im Fermenter erstrebenswert. Mit dieser Zielstellung wurden verschiedene Reaktortypen bzw. Gärverfahren entwickelt (KIDA et al. 1990). Eine Idee bestand darin, ein geeignetes Trägermaterial für die Mikroorganismen zu finden, das diese durch Immobilisation im Substrat zurückhält. In Untersuchungen mit einem anaeroben Wirbelschichtreaktor konnten KIDA et al. (1990, 1992) zeigen, dass vor allem die Nettooberflächenladung des Trägermaterials die Anheftung/Adsorption von Bakterien beeinflusste. YEE et al. (2000) folgerten aus ihren Ergebnissen zur Adsorption von Bacillus subtilis an Korund oder Quarz, dass es sich bei der initialen Anheftung um einen vollständig reversiblen Prozess handelte, dessen zugrunde liegende Antriebskraft sich qualitativ mit folgender Gleichung der Gibbs-Energie beschreiben lässt:
ΔG Adsorption = ΔG hydrophob + ΔG elektrostatisch
Ionenstärke und pH-Wert des umgebenden Milieus und das Verhältnis von Bakterien zu Mineral beeinflussen die Oberflächenladung sowohl des Minerals als des Bakteriums, wodurch es zu elektrostatischer Anziehung bzw. Abstoßung kommt. Im Falle des Bakteriums verändert die Oberflächenladung in Form von neutralen bzw.
positiv geladenen Carboxylgruppen gleichzeitig die Fähigkeit, sich mit einer Hydrationshülle zu umgeben und somit im Wasser suspendiert zu bleiben. KUBOTA et al. (2008) bestätigten durch ihre Versuche mit insgesamt 18 Bakterien- und Hefestämmen und zehn verschiedenen Zeolithen, dass die wichtigen Faktoren bei der Adsorption anscheinend hauptsächlich elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen sind. In einem Experiment mit zwei anaeroben Wirbelschicht-reaktoren, in denen ein natürlicher Zeolith [35 % Klinoptilolith, 15 % Mordenit, 30 %
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Montmorillonit, 20 % Andere (nicht näher definiert)] eingesetzt wurde, konnte durch SEM-Aufnahmen die Besiedlung des Zeoliths mit morphologisch unterschiedlichen Mikroorganismen (Biofilmbildung) belegt werden, die durch Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) vor allem als dem Genus Methanosaeta zugehörig identifiziert wurden (FERNÁNDEZ et al. 2007). Mithilfe der ATP-Konzentration, die einen Indikator für metabolisch aktive Zellen und eine Kennziffer für mikrobielle Dichte (die wiederum die Aktivität der anaeroben Gärung anzeigt) darstellt (CHUNG u.
NEETHLING 1988; CHU et al. 2003), konnten WANG et al. (2011) zeigen, dass Zeolith 3A (Partikelgröße 2,36–4,75 mm), der in einem porösen Nylonbeutel in die Inkubationssuspension gehängt wurde, ein geeignetes Trägermaterial für anaerobe Mikroorganismen war, durch dessen Einsatz eine effizientere Fermentation erreicht wurde. Auf der Zeolithoberfläche betrug die ATP-Konzentration 0,24 µmol/ℓ, in der flüssigen Phase dieses Versuchsansatzes dagegen nur 0,03 µmol/ℓ. Dieser eminente Unterschied zeigte sich auch beim Vergleich mit der Konzentration in der Inkubationssuspension der Kontrolle (0,02 µmol/ℓ). Auffällig war, dass der gleiche Zeolith, wenn er frei auf den Boden des Reaktionsgefäßes abgesunken war, auf seiner Oberfläche lediglich eine ATP-Konzentration von 0,02 µmol/ℓ aufwies. Die gut 10fach höhere Aktivität bzw. Dichte der Mikroorganismen auf den in der Inkubationssuspension hängend fixierten Zeolithpartikeln erklärten die Autoren mit der Beweglichkeit der sich am Boden des Reaktors befindlichen Zeolithpartikel, die damit eine instabile Unterlage für die Mikroorganismen darstellten, von denen sie z. B. durch Erschütterungen leicht heruntergespült werden könnten.
Wert aus Grafik abgelesen
Eigene Untersuchungen 41