Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5110
Main Title: Zusammenhänge zwischen Prozessstörungen und der mikrobiellen Biozönose in Biogasanlagen aus der Abfallwirtschaft
Translated Title: Relationship between process failures and the microbial biocenosis in biogas plants of the waste industry
Author(s): Lienen, Tobias
Referee(s): Szewzyk, Ulrich
Kraume, Matthias
Dittmann, Elke
Würdemann, Hilke
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In dieser Doktorarbeit wurden die Zusammenhänge zwischen Prozessstörungen und der mikrobiellen Biozönose in großtechnischen Biogasanlagen aus der Abfallwirtschaft und in Laborversuchen mikrobiologisch und chemisch analysiert und verschiedene Gegenmaßnahmen untersucht. Unter Einsatz von Calciumoxid als Additiv wurde die Raumbelastung in einem Laborreaktor stufenweise bis auf 9,5 kg oTS m-3 d-1 erhöht und ein Frühwarnindikator gegen Übersäuerung zur Steuerung der Zugabe eingesetzt. Die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft blieb unter dem Einfluss höherer Raumbelastungen konstant und gewährleistete eine stabile Biogasproduktion. Genetische Fingerprintanalysen zeigten, dass syntrophe Mikroorganismen aus Wasserstoff-produzierenden Bakterien und Wasserstoff-oxidierenden Archaeen die Gemeinschaft dominierten. Infolge der Calciumoxid-Zugabe bildeten sich Aggregate, die zur Stabilität des Prozesses beitrugen und wahrscheinlich als Mikrohabitat für die Mikroorganismen fungierten. Ein Ausfall der Rührwerke und die daraus resultierende ungünstige Durchmischung verursachten eine Schwimmschichtbildung sowie eine drohende Übersäuerung in einer großtechnischen Biogasanlage. Infolge des Rührwerksausfalls und der ungleichmäßigen Verteilung des organischen Materials, verstärkten sich lokale Heterogenitäten, Säuren reicherten sich an und die Gasproduktion fiel ab. Die mikrobielle Biozönose veränderte sich durch die ungünstige Durchmischung und passte sich nach der Wiederherstellung der Durchmischung wieder an. In Verbindung mit der Zugabe von hydrophoben Substanzen wurde das filamentöse Bakterium Microthrix parvicella als Verursacher einer Schaumbildung in einer Mischschlamm und Fett Co-vergärenden großtechnischen Biogasanlage identifiziert. Die Schaumbildung ereignete sich, wenn Fett zugeführt und ein Schwellenwert von 2x108 M. parvicella Genkopien überschritten wurde. Die Erhöhung der Genkopienzahlen im nachgeschalteten Reaktor der Kaskade wies auf anaerobes Wachstum ohne Nitrat hin. Der Einfluss einer Temperaturerhöhung von 37 °C auf 56 °C auf die Abundanz von Microthrix parvicella und die damit verbundene Bildung einer Schwimmschicht wurde in zwei parallel betriebenen Laborreaktoren untersucht. Die mikrobielle Biozönose passte sich an die Temperaturerhöhung von 1 °C pro Woche an, so dass der Biogasproduktionsprozess stabil ablief. Die Abundanz von M. parvicella verringerte sich bei einer Erhöhung von 37 °C auf 39-41 °C um den Faktor 10. Die Schwimmschicht löste sich bei der Erhöhung von 37 °C auf 56 °C auf.
In this PhD thesis, the interaction of the microbial biocenosis and process disturbances in full-scale biogas plants and laboratory-scale reactors were analysed microbiologically and chemically and several countermeasures were investigated. In a sewage sludge and raps oil fed laboratory-scale reactor, addition of calcium oxide was used to increase the organic loading rate stepwise up to 9.5 kg VS m-3 d-1. The process was controlled by applying an early warning indicator regarding overacidification. Genetic fingerprint analysis showed that the methanogenic community composition stayed constant during the increase in organic loading rate warranting a stable biogas production process. Syntrophic microorganisms of hydrogen producing bacteria and hydrogen consuming archaea dominated the biocenosis. Due to the addition of calcium oxide, granules were formed, which contributed to the stabilization of the process and probably served as microhabitat for the microorganisms. A formation of floating sludge as well as a threatening overacidification in a full-scale biogas plant were caused by a disturbance of the agitators. Due to the mixing failure and the uneven distribution of the organic material, local heterogeneities appeared, organic acids accumulated and the gas production decreased. The microbial biocenosis changed due to the agitator breakdown and adapted again after the mixing was re-established. The introduction of hydrophobic substances and the filamentous bacterium Microthrix parvicella were identified as the cause of a foam formation in a full-scale biogas plant fed with sewage sludge and fat, oil and grease (FOG). Foaming was caused if FOG was fed and a threshold amount of 2x108 M. parvicella gene copies was exceeded. As the biogas plant is operated as a cascade, increased gene copy numbers of M. parvicella in the downstream reactor indicated anaerobic growth without reduction of nitrate as the energy source. The influence of a temperature increase from 37 °C to 56 °C on the presence of Microthrix parvicella and the associated formation of floating sludge was investigated in two parallel operated laboratory-scale reactors. The microbial biocenosis was shown to adapt to the increase in temperature by 1 °C per week, so that the biogas production process worked properly. The occurrence of M. parvicella already decreased with an increase from 37 °C to 39-41 °C by a factor of 10. The floating sludge dissolved completely after increasing the temperature from 37 °C to 56 °C.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5435
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5110
Exam Date: 18-Mar-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 22-Apr-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::579 Mikroorganismen, Pilze, Algen
Subject(s): Biogas
Mikrobiologie
Prozessstörungen
biogas
microbiology
process failures
Sponsor/Funder: BMU, 03KB018A-F, Vergleichende Untersuchungen an großtechnischen Biogasreaktoren - Verfahrenstechnische, mikrobiologische, ökologische und ökonomische Bewertung und Optimierung/Optgas
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