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Main Title: Anaerobe Reinigung von Rübenmelasseschlempe in Festbettreaktoren mit verschiedenen Trägermaterialien
Translated Title: Anaerobic digestion of sugar cane molasses in fixed bed reactors with different immobilisation materials
Author(s): Kozariszczuk, Matthias
Advisor(s): Kraume, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In den durchgeführten Untersuchungen wurde das komplexe und hochbelastete Abwasser Rübenmelasseschlempe sowie Essigsäure als Substrat eingesetzt. Ein Untersuchungsziel bestand in der Beschreibung des anaeroben Abbauverhaltens der Rübenmelasseschlempe in Festbettreaktoren. In den Untersuchungen wurde im wesentlichen das Immobilisierungsmaterial geschäumte Keramik eingesetzt. Für den Verlauf der CSB-Konzentration über der Zeit wurde in Batchversuchen die Gültigkeit verschiedener kinetischer Ansätze (Kinetik 1. Ordnung, Monod-Kinetik) getestet. Der anaerobe Abbau konnte durch diese Ansätze nicht abgebildet werden. Eine Möglichkeit, die in diesen Batchversuchen gewonnenen Erkenntnisse zu beschreiben und mit anderen Ergebnissen vergleichen zu können, bestand in der Auftragung der Substratabbaugeschwindigkeit in Abhängigkeit von der zeitbezogenen CSB-Startkonzentration. Unterschiedliche CSB-Konzentrationen und entsprechend gebildete toxische Stoffwechselprodukte hatten in den durchgeführten Batchversuchen keinen messbaren Einfluß auf das Abbauverhalten. Für die untersuchten Festbettreaktoren mit dem Immobilisierungsmaterial geschäumte Keramik wurde der methanogene Abbauschritt als der limitierende Abbau-schritt bestimmt. Untersuchungen im kontinuierlichen Reaktorbetrieb ergaben eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der Abbauleistungen für die Substrate Essigsäure und Rübenmelasseschlempe. In Untersuchungen zum Langzeitbetrieb wurde neben der maximalen Raumbelastung (50g/Ld) eine hinsichtlich der Abbauleistung optimale Verweilzeit des Abwassers von ca. 15 - 20h pro Festbettreaktor bestimmt. Die erreichten maximalen CSB-Abbaugrade von 80% sind vergleichbar mit den Maximalwerten aus anderen Untersuchungen in denen ebenfalls das Abwasser Rübenmelasseschlempe eingesetzt wurde. Die Vorteile der hier untersuchten Festbettreaktoren lagen in den höheren Raumzeitausbeuten von ca. 20g/Ld - 25g/Ld bei CSB-Abbaugraden von 80%. Ergänzend zu dem Immobilisierungsmaterial geschäumte Keramik wurden in Parallelversuchen weitere Immobilisierungsmaterialien (Siran-Glas, Polypropylen, Blähton) eingesetzt. Im Vergleich der einzelnen Materialien wies der Festbettreaktor mit der geschäumten Keramik die höchste Abbauleistung auf. Bis zu einer Verweilzeit von 15h betrug der CSB-Abbaugrad zwischen 75% - 80%. Diese hohe Leistungsfähigkeit ist vor allem auf die relativ hohe makroskopische Oberfläche zurückzuführen. Die hohe mikroskopische Oberfläche des Siran-Glases erwies sich als nicht ausschlaggebend für die Abbauleistung. In verschiedenen Untersuchungen konnte das gute Verhalten der Festbettreaktoren gegenüber dynamischen Änderungen der CSB-Zulaufkonzentration und des Zulaufvolumenstromes festgestellt werden. Selbst auf einem sehr hohen Belastungsniveau, die reale Verweilzeit des Abwassers betrug in diesem Fall ca. 5,5h, brach bei einer Halbierung der Verweilzeit der Abbau in dem Festbettreaktor nicht zusammen. Eine wesentliche Rolle in den durchgeführten Untersuchungen spielte der Einsatz neuer mikrobiologischer Methoden. Durch die Anwendung von Gensonden war es möglich, die Aktivität und die Zusammensetzung der Bakterienpopulation zu bestimmen. Anhand der durchgeführten Versuche wurde deutlich, daß insbesondere bei der Verbesserung der Lebensbedingungen für die Bakterienpopulation die Gensonden zum besseren Verständnis des Reaktorstatus beitrugen.
The anaerobic digestion of the complex and high concentrated waste water sugar cane molasses was investigated. A main aim of the investigations was the description of the anaerobic process in fixed bed reactors. In most cases highly porous ceramic was used as immobilisation material. In batch experiments first order kinetic and monod kinetic were tested to describe the reduction of COD-concentration. The results did not correspond with the kinetic approaches. However, to compare the results of the batch experiments with other batch experiments the chart of COD-removal rate versus batch-time weighted COD start-concentration was used. Different COD start-concentrations (13 g/L - 32 g/L) and resulting toxic metabolism concentrations (sulphide, ammonia) had no impact on the investigated degradation process. The methanogenic reduction step was determined as limiting reduction step for digestion of sugar cane molasses in fixed bed reactors with highly porous ceramic. In investigations using acetic acid or sugar cane molasses as substrates very similar digestion performances were observed. In long term investigations an optimal hydraulic retention time for waste water in fixed bed reactors of 15 - 20 h per reactor was found. Using this retention time a maximal COD removal efficiency of 80 % was achieved which is in good correspondence with results of literature references. The advantage of the actually used fixed bed reactors is a higher observed removal efficiency rate of 20 g/Ld - 25 g/Ld coming along with a removal efficiency of 80 %. A part from the immobilisation material highly porous ceramic other materials - siran glass, polypropylene, foamclay - were investigated. However, highly porous ceramic showed the best degradation performance, due to the big macroscopic surface of the material. The big microscopic surface of siran glass turned out not to be important for the degradation rate. Different investigations proofed the good behaviour of fixed bed reactors at dynamic changes of COD-inlet-concentration and volumetric flow rate. Even for high COD-loading rates (retention time 2,75 h) no collapse of the anaerobic digestion did not occurred. Very important for the performed investigations was the application of new microbiological methods. Oligonucleotide probes allowed to determine the activity and composition of the microbial population inside the fixed bed reactor. Especially for the improvement of growth conditions for the microbial population the gene probes lead to a better understanding of the microbial processes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4694
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/864
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-567
Exam Date: 8-Feb-2002
Issue Date: 10-Jun-2002
Date Available: 10-Jun-2002
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Abwasserreinigung
Anaerob
Biofilm
Festbettreaktor
Gensonden
Rübenmelasse
Anaerobic
Biofilm
Fixed Bed Reactor
Gene Probes
Sugar Cane Molasses
Waste Water Treatment
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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