Manchmal ist ein wenig Luft für Biogasverfahren gar nicht so übel. Ein Forschungsprojekt der ZHAW in Wädenswil zeigt auf, dass kleine Dosierungen von Sauerstoff in einer Vorbehandlung die Methanproduktion im Fermenter durchaus erhöhen können. Für faserhaltige Substrate eröffnet diese Verfahrenskombination einen besseren anaeroben Abbau. Damit lässt sich ein bisher unge
nutztes Potenzial erschliessen.
Urs Baier*, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Vanessa Burg, WSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft
Judith Krautwald; Flo Rüsch; Alex Treichler; Rolf Warthmann, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
WENIG LUFT BRINGT VIEL BIOGAS
MIKROAEROBE VORBEHANDLUNG ZUR STEIGERUNG DER METHANAUSBEUTE BEI DER VERGÄRUNG
WESHALB MIKROAEROBE HYDROLYSE?
Bei der anaeroben Vergärung von faserreicher Biomasse zur Produktion von Biogas erweist sich die Hydrolyse von komple- xen organischen Substanzen wie Grüngut, Stroh oder Hofdün- ger oftmals als der geschwindigkeitsbestimmende Teilschritt.
Speziell der Abbau von Cellulose und Lignocellulose ist unter anaeroben Bedingungen erschwert [1]. Ursache ist der starke Zusammenhalt zwischen den Verbindungen innerhalb der Pflanzenstruktur, die eine effektive Barriere gegenüber einem hydrolytischen oder enzymatischen Abbau bilden [2]. Durch eine Vorbehandlung des Substrates lassen sich diese komplexen biochemischen Strukturen aufbrechen. Mittels vorgeschalteter biologischer Hydrolyse kann die stabile Lignozellulosestruktur effizienter aufgeschlossen und dem anaeroben mikrobiologi- schen Abbau bis zum Biomethan zugänglich gemacht werden.
Zur Vorbehandlung von Biomasse existiert eine Vielzahl von Verfahren und Technologien, die eine Verbesserung der anae- roben Abbaubarkeit anstreben. Sie lassen sich in physikalische, chemische und biologische Verfahren unterteilen (Fig. 1). Bio- logische Verfahren besitzen gegenüber den physikalischen und chemischen Verfahren oft eine Reihe von Vorteilen, aber auch einige Nachteile.
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RÉSUMÉ
UNE FAIBLE QUANTITÉ D’AIR POUR PLUS DE BIOGAZ – TRAITEMENT MICROAÉROBIE PRÉALABLE POUR AUGMENTER LE RENDEMENT DU MÉTHANE LORS DE LA FERMENTATION
En Suisse, le biogaz et le biométhane sont en grande partie produits à partir de substrats tels que les boues d’épuration, les déchets organiques, les matières agricoles résiduelles ainsi que les engrais de ferme. L’exploitation du potentiel avéré de ces ressources néces
site des développements techniques en plus des mesures organisa
tionnelles. Ainsi, les procédés de traitement préalable servant à la dégradation des biomasses lentement ou difficilement dégradables peuvent augmenter considérablement la quantité de méthane pro
duite à partir de ces substrats. L’hydrolyse microaérobie (dosage contrôlé de faibles quantités d’air dans les substrats avant leur fer
mentation anaérobie), est une technologie de traitement préalable au potentiel considérable. Le dosage d’air permet l’établissement d’une biocénose aérobie qui excrète des enzymes extracellulaires.
Ces enzymes et complexes enzymatiques dégradent surtout les substrats fibreux de manière efficace et fournissent ainsi au di
gesteur des produits intermédiaires facilement dégradables en anaérobie. Un projet de recherche de la haute école ZHAW étudie les conditions optimales pour la mise en œuvre technique de la combinaison de procédés prometteurs consistant en un traitement microaérobie préalable suivi d’une fermentation anaérobie.
* Kontakt: urs.baier@zhaw.ch
VORTEILE
– Umsetzung unter milden Prozessbedingungen von Druck und Temperatur nahe den Umgebungsbedingungen
– geringe Anforderungen an Druck-, Korrosions- und Chemika- lienbeständigkeit der Apparate
– weitgehende Vermeidung der Bildung von Hemmstoffen und toxischen Zwischenprodukten
– weitgehende Vermeidung des Einsatzes von Chemikalien und der Entstehung zusätzlicher Abfallströme
– überwiegend geringe Investitions- und Energiekosten NACHTEILE
– grössere Verweilzeiten und entsprechend höherer Platzbedarf – mögliche Methanpotenzialverluste durch unerwünschten
Substratkonsum
– unvollständiger Umsatz und geringere Ausbeute
– hohe Substratspezifität hinsichtlich der optimalen Betriebs- parameter
– unvollständige Elimination von pathogenen Keimen
STAND DER TECHNIK DER MIKROAEROBEN HYDROLYSE
Ein neuerer Vertreter der biologischen Vorbehandlung ist die mikroaerobe Hydrolyse. Hierbei werden in oder vor der Ver- gärung dem Substrat gezielt kleine Mengen an molekularem Sauerstoff resp. Luft zudosiert. Dies ermöglicht fakultativ ae- roben/anaeroben Mikroorganismen ihren Stoffwechsel relativ schnell von der anaeroben Vergärung auf eine aerobe Verat- mung des Substrates umzustellen [3]. Dabei wird eine deutlich höhere Aktivität an hydrolytischen Enzymen beobachtet, was die Hydrolyse anaerob langsam oder schwer abbaubarer Biomas- se verbessert [1, 3, 4]. Die mikroaerobe Hydrolyse kann in situ (einstufig, im Fermenter) oder ex situ (zweistufig, der Fermenta- tion vorgeschaltet) durchgeführt werden (Fig. 2). Die zweistufige Prozessführung verhindert eine Hemmung der strikt anaero- ben Methanogenen durch molekularen Sauerstoff, was zu einer Reduzierung der Methanbildung führen kann. Ferner sind im Hinblick auf Explosionsschutz sauerstoffhaltige Bereiche von methanhaltigen Bereichen räumlich getrennt.
SCHLÜSSELPARAMETER
Der erzielte Methan-Mehrertrag bei der Ex-situ-Variante ist abhängig von der mikroaeroben Verweilzeit sowie der für das Substrat spezifischen, optimalen Sauerstoffmenge [1, 2, 5]. Bei zu wenig Sauerstoff ist keine aerobe Hydrolyse der komplexe- ren organischen Substanz möglich. Zu viel Sauerstoff besitzt dagegen eine inhibierende Wirkung auf strikt anaerobe Mikro- organismen und birgt das Risiko einer aeroben Veratmung des Substrates zu Kohlenstoffdioxid unter Freisetzung von Wärme, was zu deutlich reduzierten Methanerträgen führen kann. Als weiterer Schlüsselparameter erweist sich die Temperatur der ae- roben Stufe. Die Literaturauswertung der Hydrolysetemperatur zeigt hingegen keinerlei Trends bezogen auf den Methan-Mehr- ertrag. Sowohl für mesophile (35–40 °C) als auch für thermo- phile (55 °C) Bedingungen ist eine signifikante Steigerung der Biomethanproduktion möglich. Die Verweilzeit der Hydrolyse als Schlüsselparameter lässt im Bereich von 12–24 h ebenfalls kaum konkrete Schlüsse auf optimale Werte zu. Dem gegen- über bestehen klare Hinweise, was die spezifische Zugabe von Sauerstoff betrifft. Die pulsweise Zugabe zeigt im Vergleich zur
Fig. 1 Übersicht über Verfahren zur Vorbehandlung des Substrates für die anae- robe Vergärung (physikalische, chemische, biologische und kombinierte Verfahren).
Fig. 2 Verfahrensvarianten der mikroaeroben Hydrolyse (Micro-Aeration).
In-situ-Variante als einstufiger Prozess direkt im Fermenter (oben) und Ex-situ-Variante in Form eines zweistufigen Prozesses mit separatem Reaktor (unten).
einmaligen oder zur kontinuierlichen Begasung deutlich besse- re Resultate [1, 2, 3, 6]. Optimale Sauerstoffmengen sind deutlich substratspezifisch und liegen meist im Bereich zwischen 5 und 20 ml O2/g oTS [7].
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DAS PROJEKT «HYDROFIB»
Vorarbeiten der ZHAW Zürcher Hochschu- le für Angewandte Wissenschaften haben die grundsätzliche Machbarkeit der mikro- aeroben Hydrolyse unter praxisnahen Be- dingungen gezeigt [7]. Zwischen 2016 und 2019 wurde in einer ersten Phase das F&E- Projekt «HYDROFIB – Mikroaerobe Hydro- lyse faserreicher Biomasse zur Steigerung der Biogasproduktion» durchgeführt, um folgende Kernfragen zu beantworten:
a) W ie ho ch is t das z us ä t z l ich nu t z b ar e Biomas s epo t en z ial in der S ch w ei z?
Das in der Schweiz tatsächlich abschöpf- bare Potenzial an neuen Biomassefrak- tionen, die bisher nicht oder nur wenig effizient in Biogasanlagen verwertet werden, ist nicht mit ausreichendem De- taillierungsgrad erfasst (lokal, regional, saisonal). Es stellen sich folgende Fragen:
Wie gross ist das zusätzliche, nachhalti- ge Energiepotenzial bei einer flächende- ckenden mikroaeroben Hydrolyse und Vergärung von faserhaltigen Substraten?
Welches zusätzliche Energiepotenzial der bereits in Biogasanlagen verwerteten, fa- serhaltigen Substrate besteht?
b) W el che Ver w eil z ei t en und w el che s h y dr aul is che Re gime sind in der H y dr oly s e - s t u f e er f or der l ich?
Die optimalen, mikroaeroben Hydrolyse- zeiten für unterschiedliche faserreiche Substrate sind nicht bekannt und können nicht aus der Vorbehandlung von nach- wachsenden Rohstoffen (Nawaro) abge- leitet werden. Das hydraulische Regime der Hydrolyse, also die Beschickungsin- tervalle und die Anteile an Impfbiomas- se sind in der Literatur nicht hinreichend beschrieben.
c) W ie v iel S auer s t o f f r e sp. L u f t w ir d e f f ek t i v b enö t ig t?
Die für den optimalen Aufschluss von unterschiedlichen Fasersubstraten not-
wendige Menge, Frequenz und Art der Dosierung von molekularem Sauerstoff im mikroaeroben Hydrolysereaktor sind noch nicht genügend erforscht.
d) W el che s Pr o duk t spek t r um er gib t sich aus dem H y dr oly s e s chr i t t?
Das optimale Spektrum an Zwischen- produkten für die anschliessenden Ab- bauschritte und für eine maximale Me- thanproduktion, insbesondere an kurz- kettigen organischen Fettsäuren, ist in der Literatur nicht definiert.
e) W ie ho ch is t der ökonomis che Nu t z en die s er neuen Te chnol o gie?
Die ökonomische Auswirkung einer se- paraten, mikroaeroben Vorbehandlungs- stufe auf die betrieblichen Abläufe einer anaeroben Vergärungsanlage können aufgrund fehlender Erfahrungen und Be- triebsdaten nicht beziffert werden.
Das Projekt wurde durch das Bundes- amt für Energie und den Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der Schweizer Gasindustrie (FOGA) co- finanziert.
POTENZIALABSCHÄTZUNG FÜR FASERREICHE BIOMASSE
Ziel einer Potenzialabschätzung ist es, faserreiche Biomasse mit einem bedeut- samen, nachhaltigen Nutzungspotenzial in der Schweiz und einer verhältnismäs- sig grossen Steigerung der spezifischen Methanproduktion durch die Vorbehand- lung mittels mikroaerober Hydrolyse zu identifizieren. Zusätzlich ist entschei- dend, dass die Handhabbarkeit und die Verfügbarkeit der entsprechenden Mono- substrate für eine technische Umsetzung gewährleistet sind. Diese vier Kriterien mit entsprechenden Unterkriterien wur- den auf eine Palette von sieben Hofdün- gern, sieben Rückständen aus dem Pflan- zenbau, zwölf gewerblich-industriellen
Reststoffen und zwei Nebenprodukten aus Biogasanlagen mittels einer Nutz- wertanalyse zur Potenzialabschätzung angewendet.
Die vier inländischen Substrate «Rind- viehgüllefeststoffe», «Pferdemist», «Ne- benprodukte landwirtschaftlicher Pflan- zenbau» sowie «Grüngut» weisen je ein bedeutsames, zusätzliches Energiepo- tenzial auf und erweisen sich auch als technisch geeignet für die mikroaerobe Hydrolyse. Insgesamt enthalten sie ein Potenzial für einen jährlichen Methan- Mehrertrag von ca. 2,0 PJ (Tab. 1).
Für die Potenzialbetrachtung von Rind- viehgüllefeststoffen und von Pferdemist wird davon ausgegangen, dass die Ver- arbeitung sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch sinnvoll und technisch mach- bar ist. Die Berechnungen berücksichti- gen, dass die Gesamtmenge an Rindvieh- gülle separiert wird, bei der Separation 50% der organischen Trockensubstanz in der festen Fraktion verbleiben [8] und diese in einer Biogasanlage verwertet werden. Das Potenzial eines Biomethan- Mehrertrags durch die vorgeschaltete mikroaerobe Hydrolysestufe (+20%) aus Rindviehgüllefeststoffen beträgt ge- mäss ersten Abschätzungen 0,54 PJ, der Mehrertrag aus Pferdemist gut 0,32 PJ (Tab. 1).
Die Potenzialbetrachtung für Nebenpro- dukte des landwirtschaftlichen Pflan- zenbaus sowie für kommunales Grüngut basiert auf den Potenzialen, Restriktionen und Konkurrenznutzen aus vorhergehen- den Projekten [9]. Für das zusätzliche, nachhaltige Potenzial ist bei Grüngut ein Potenzial von rund 2 PJ mitberücksichtigt, welches in naher Zukunft aus dem Haus- kehricht ins kommunale Grüngut gelan- gen kann. Durch eine flächendeckende Anwendung der mikroaeroben Vorbe- handlung kann ein Biomethan-Mehrer- trag von 0,22 PJ aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten und von 0,90 PJ aus Grüngut erwartet werden (Tab. 1).
Substrat Nachhaltiges
Potenzial Biomethan Nachhaltiges
Potenzial Biomethan Erwarteter Mehr
ertrag Hydrolyse Erwarteter Mehr
ertrag Hydrolyse Erwarteter Mehr
ertrag Hydrolyse
[GWh] [PJ] [%] [GWh] [PJ]
Rindviehgüllefeststoffe 744 2,7 20 149 0,54
Pferdemist 460 1,7 20 92 0,33
Nebenprodukte landwirt- schaftlicher Pflanzenbau
310 1,1 20 62 0,22
Kommunales Grüngut 1242 4,5 20 248 0,90
Gesamtpotenzial 2756 10,0 551 2,0
Tab. 1 Erwarteter Mehrertrag an Biomethan durch mikroaerobe Hydrolyse.
OPTIMALE BETRIEBSPARAMETER
Untersuchungen zur mikroaeroben Hyd- rolyse werden in der Literatur fast aus- schliesslich als Batch-Experimente im Labormassstab beschrieben. Nur verein- zelt gibt es Anwendungen im Pilotmass- stab, die als Semi-Batch [10] oder als In-situ-Verfahren betrieben wurden [11].
Betriebsparameter zur Steuerung der mikroaeroben Phase sind dabei oft nur unzulänglich quantifiziert. Im Rahmen des HYDROFIB-Projekts wurden in meh- reren ca. einwöchigen Versuchsläufen in einem 6,4-l-Laborreaktor die Einflüsse von Impfkultur, Beschickungsrhyth- mus, Belüftungsrhythmus und -menge sowie hydraulischer Verweilzeit auf die mikroaerobe Hydrolyse von Weizenstroh und Rindergüllefeststoff untersucht. Als Überwachungsparameter standen die Ge- löstsauerstoffkonzentration (pO2) [mg/l], das Redox-Potenzial (ORP) [mV], der Gehalt an O2, CO2 und CH4 in der Abluft sowie das Biomethanpotenzial (BMP) der behandelten Substrate zur Verfügung.
Aerober Belebtschlamm erweist sich ge- genüber flüssigem Gärgut, Faulschlamm oder Perkolat einer Boxenvergärung als bessere Impfkultur für die mikroaerobe
Hydrolyse. Es wird vermutet, dass Impf- kulturen aus anaeroben Prozessen nur einen geringen Gehalt an fakultativ ae- roben Organismen aufweisen und daher längere Adaptationszeiten von mehreren Wochen benötigen, bis diese sich im kon- tinuierlichen Betrieb unter mikroaeroben Bedingungen anreichern.
Für Weizenstroh wird bei einer Verweil- zeit von 12 bis 24 h in der mikroaero- ben Hydrolyse ein Methan-Mehrertrag von 14% nach einer Vergärzeit von 35 d erreicht. Auf der separierten Feststoff- fraktion von Rindviehgülle wird bei einer Verweilzeit von 24 h in der mikro- aeroben Hydrolyse nach 35 d Vergärzeit ein Methan-Mehrertrag von 10 bis 15%
erreicht. Dieser ist entgegen Erkennt- nissen aus der Literatur stark abhängig von der Hydrolysetemperatur bei einem optimalen Bereich um 45 °C. In einem kontinuierlichen Betrieb wird für beide Substrate aufgrund der längeren Adapta- tionszeit der aeroben Mikrobiologie mit tendenziell leicht kürzeren hydraulischen Verweilzeiten gerechnet.
Neben den aus der Literatur bekannten Betriebsparametern der hydraulischen Verweilzeit und spezifischen Belüftungs- rate erweisen sich die Hydrolysetem-
peratur und die Herkunft der aeroben Hydrolysebiologie als kritisch für einen optimalen Betrieb. Alle Parameter sind ausgeprägt substratspezifisch und für einzelne Substrate jeweils separat fest- zulegen. Die Parameter «ORP», «pO2» so- wie «O2- und CH4-Gehalt im Abgas» haben sich in Laborversuchen als geeignet zur Prozesskontrolle erwiesen. Normalwer- te des ORP liegen zwischen –430 und –500 mV, während der stossweisen Belüf- tungsphasen steigen sie für Minuten auf –400 bis –200 mV. Die Gelöstsauerstoff- Werte liegen während der Belüftungspha- sen bei tiefen 50–400 ppb und bedürfen speziell sensiblen Messarmaturen für eine wirkungsvolle Prozesskontrolle. Der pH-Wert ist als Kontrollparameter nicht geeignet. Er bewegt sich unabhängig von anderen Einflussfaktoren im leicht sau- ren Bereich von 6,2 bis 6,9.
AUSBLICK
Zur Verifizierung der im Labormassstab beobachteten Effekte wird 2021 ein Folge- projekt initiiert, das für semikontinuierli- che Versuche auf eine in Phase 1 erstellte Pilotanlage mit zwei 20-Fuss-Containern zurückgreift (Fig. 3).
Fig. 3 Pilotanlage, links: Container 1, Substrataufbereitung; rechts: Container 2, Hydrolyse und Vergärung.
Eine bestehende, manuell betriebene Pi- lotanlage wurde in Phase 1 technisch op- timiert und für einen halbautomatischen Pilotbetrieb vorbereitet. Die Pilotanlage
wurde um eine gekühlte Substratkondi- tionierung erweitert, die einen technisch stabilen Betrieb über mehrere Tage ohne erhebliche Substratveränderung erlaubt.
Die verfahrenstechnisch kritische Stufe der mikroaeroben Hydrolyse wurde neu konzipiert und gebaut, sodass eine kon- trollierte Zugabe von kleinen Mengen an Sauerstoff resp. Luft möglich ist. Zudem wurde die Stufe mechanisch optimiert und weniger verstopfungsanfällig aus- geführt. Container 1 beinhaltet die Sub- stratkonditionierung und -lagerung inkl.
Zerkleinerung und Kühlung, Container 2 die Hydrolyse und Vergärung mit zwei Vergärungslinien (mikroaerobe Hydroly- se/Referenz) inkl. Steuerung und Gasana- lyse (Fig. 4). Die Linie mit mikroaerober Hydrolyse (50 l) teilt sich wiederum auf zwei Fermenter à je 400 l auf, die bei un- terschiedlichen Verweilzeiten betrieben werden können (Fig. 5). Damit sind paral- lel verschiedene Verweilzeiten für die Ver- gärung mit Vorbehandlung pilotierbar.
BIBLIOGRAPHIE
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AQUA & GAS N
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Fig. 5 Grundriss des Containers 2.
PROJEKT HYDROFIB
Am Projekt HYDROFIB sind For
schungsgruppen der ZHAW in Wä
denswil und der WSL in Birmensdorf sowie die FBI First Biogas Internati
onal in Winterthur beteiligt. Das Pro
jekt findet im Rahmen der Innosuisse Initiative SCCER BIOSWEET statt und wird vom BFE Bundesamt für Energie sowie dem FOGA Forschungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie finan
ziell unterstützt.
Fig. 4 Schematisches Fliessbild der Pilotanlage.
175, 203–208. https://doi.org/10.1016/j.bior- tech.2014.10.072
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org/10.1016/j.biortech.2013.04.066
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https://doi.org/10.1016/j.wasman.2008.12.023
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