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Main Title: Technischer Vergleich von Aufbereitungsverfahren für Gärreste in der Biogastechnik
Translated Title: Technical comparison of treatment processes for fermentation residues in biogas technology
Author(s): Fechter, Maximilian
Advisor(s): Kraume, Matthias
Referee(s): Kraume, Matthias
Rosenberger, Sandra
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wurden im Wesentlichen die massenspezifischen Energiebedarfe der Gärrestaufbereitungsverfahren Separation, Trocknung, Vakuumverdampfung, Strippung und Membrantechnik ermittelt. Im Zuge der Energieanalyse erfolgte die Unterteilung jedes Aufbereitungsverfahrens in seine signifikanten Teilprozesse, wodurch ebenfalls die erforderlichen Energiemengen pro Verfahrensschritt bestimmt werden konnten. Bei der Bewertung der einzelnen Aufbereitungsverfahren wurden sowohl Literatur- und Herstellerangaben als auch eigene Messdaten und Berechnungen berücksichtigt. Durch Bilanzierung der Stoff- und Massenströme an großtechnischen Gärrestaufbereitungsanlagen gelang es weiterhin, Abscheidegrade der einzelnen Verfahrensstufen für die verschiedenen Gärrestbestandteile zu bestimmen. Auf den Ergebnissen der Energieanalyse und den Abscheidegraden basierend wurden die relevanten Gärrestaufbereitungsverfahren in einem Berechnungsmodell nachgestellt. Dies gelang über den modularen Aufbau der einzelnen Verfahren mit den hierfür notwendigen Verfahrensschritten. Durch diese Vorgehensweise wurde eine Darstellung der Aufbereitung aller betrachteten Verfahren standardisiert an einer bestimmten Gärrestmenge mit einheitlichen Eigenschaften erzielt. Als Ergebnis lieferte diese Simulation massenspezifische Energiebedarfe für die Aufbereitung des anfallenden Gärrests sowie die Produktstromzusammensetzungen in Prozent der Zusammensetzung des rohen Gärrests. Dies ermöglicht die approximative Prädiktion der auftretenden Produktströme und Energiebedarfe an individuellen Biogasanlagen auf Basis von Zusammensetzung und Massenstrom des anfallenden Gärrests. Durch die Definition des Energie- bzw. Exergieaufwandes für die Aufkonzentration des Gärrests und die Abscheidung von Stickstoff und Phosphor erfolgte eine einheitliche Bewertung der Effizienz der Gesamt- und Teilverfahren. Mit dieser Vorgehensweise ließen sich die Verfahren trotz ihrer Verschiedenheit miteinander vergleichen und neue Verfahrenskombinationen ermitteln, die besonders energieeffizient Stickstoff und Phosphor aus dem Gärrest abscheiden. Weiterhin wird in dieser Arbeit die Abwasserqualität von Gärrestaufbereitungsverfahren charakterisiert und mit den Grenzwerten für Direkteinleitung in der Abwasserverordnung verglichen. Dieser Abgleich erfolgte u. a. mit den Grenzwerten für kommunale Kläranlagen, dabei konnte festgestellt werden, dass Phosphate zu nahezu 100 % abgeschieden werden und auch die Grenzwerte für Gesamtstickstoff eingehalten werden können. Einzig die Grenzwerte für Ammoniumstickstoff wurden in manchen Stichproben überschritten. In Relation zu den täglichen Gesamtfrachten für den Schadstoffausstoß konnten die Biogasanlagenabwässer als verhältnismäßig gering eingestuft werden.
In essence, the specific energy demands of the various fermentation treatment processes were determined modularly per process step. This investigation includes literature, manufacturer specifications, own measurements and calculations on model plants. By balancing the mass flows, separation efficiencies of the individual process stages for the various fermentation residue constituents were determined. The relevant digestate treatment procedures were simulated by means of a model fermentation residue based on the average compsition. This was achieved by the modular design of the individual processes with the necessary process steps and allowed all the processes considered to be compared standardised by applying a particular amount of fermentation residue with uniform properties. The results of the case studies consisted of the energy and consumption requirements as well as the composition and amounts of products of the digestate treatment. These are presented as energy per tonne of raw digestate produced at a biogas plant and as percentage of the substance flow in the raw digestate, respectively. This enables the approximate prediction of energy demand and product composition based on the composition and mass flow of the raw digestate. By defining energetic and exergetic demands for water-, nitrogen- and phosphorus-removal a standardised comparison of the processes’ efficiencies was carried out, which led to new combinations of process steps, that accomplish a high nitrogen and phosphorus removal at low energy demands. Furthermore the quality of the produced waste water was discussed and compared to, inter alia, municipal sewage plants. This showed that phosphorus concentrations are negligibly small, in most cases limits for total nitrogen and COD were met and that ammonia is the only critical substance. Considering the daily pollutant load represented by tonnes of COD per day a biogas plant with digestate treatment introduces a comparatively low amount into the environment. Overall, main energy consumers were determined in the various digestate treatment processes. Theoretical calculations showed phisical limitations and potential for improvement for certain components.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10446
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9398
Exam Date: 26-Nov-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 18-Dec-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Biogas
Gärrestaufbereitung
Gärreste
Digestate
Güllebehandlung
Abwasserbehandlung
Nährstoffüberschuss
digestate treatment
digestate
manure treatment
waste water treatment
excess plant nutrients
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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