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Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt: Reaktiver Stofftransport

Durch DynaDeep wird ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. Die reaktiven Stofftransportprozesse in subterranen Ästuaren (subterranean estuary, STE) sind bislang nur wenig unter Zuhilfenahme numerischer reaktiver Transportmodellierung untersucht worden. In der Grundwasserforschung ist die reaktive Transportmodellierung ein unverzichtbares Werkzeug geworden, um die gekoppelten, nicht-linearen, und meist nicht intuitiv nachvollziehbaren hydrodynamischen und biogeochemischen Prozesse im Untergrund aufzulösen und zu quantifizieren. In Bezug auf den in DynaDeep postulierten hochdynamischen Bioreaktor ist die reaktive Stofftransportmodellierung eine Herausforderung, aber eben auch ein sehr vielversprechender Weg die verzahnten Prozesse unter Hochenergiestränden aufzulösen. Das hier vorgestellte Teilprojekt P6 soll die Forschungsgruppe in ihrer Aufgabe unterstützten die komplexen Zusammenhänge im STE unter dem Einfluss der extrem instationären Randbedingungen zu verstehen. Dafür werden in enger Zusammenarbeit und im ständigen Feedback mit den Projektpartnern (P1-P5) reaktive Transportmodelle entwickelt, welche die untersuchten Einzelprozesse und Effekte in den Laborversuchen, als auch das Verhalten des Gesamtsystems am Feldstandort so gut wie möglich wiedergeben können. Mit dem resultierenden Feldstandort-Modell werden die Effekte der Einzelprozesse auf das Gesamtsystem, als auch die Stoffflüsse in den Bioreaktor hinein und aus ihm heraus quantifiziert. In Zusammenarbeit mit Teilprojekt P1 soll das Modell dann in Hinblick auf DynaDeep Phase 2 für ein weites Spektrum möglicher und für Hochenergiestrände repräsentativer Standortbedingungen angewendet werden.

Industrielle Umsetzung von Wasserstoff-Produktion aus Fruchtsaft-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien, Teilvorhaben: Bioverfahrenstechnische Prozessoptimierung und Stoffwechselanalysen

Forschung 'Biokunststoffe' - Untersuchungen zur anaeroben Vorbehandlung von Biokunststoffen

Für die anaerobe Verwertung von Biokunststoffen ist deren Auflösung notwendig, um verfahrenstechnische Störungen zu vermeiden. Dies beinhaltet auch, dass die Desintegration bereits zu Beginn der Verwertung möglichst in großem Umfang stattfindet. Eine Desintegration innerhalb der entsprechenden Verweilzeit einer Vergärungsanlage ist nicht ausreichend. Aufgrund der unzureichenden Desintegration können Biokunststoffe vor allem in Nassvergärungsanlagen verfahrenstechnische Störungen hervorrufen. So können beispielsweise schon bei der Vorbehandlung (Zerkleinerung, Anmaischen) oder bei der Einbringung (Förderung, Dosierung) des Materials in den Fermenter Probleme entstehen. Besonders längere Folien und Tüten können sich um Aggregate wickeln und dadurch Stillstands- und Ausfallzeiten aufgrund der aufwendigen Beseitigung hervorrufen. Aber auch im Fermenter kann es zu Störungen der Rührwerke oder der Förderaggregate in die nachfolgenden Fermentern bzw. Gärrestbehältern kommen. Das Ziel der Untersuchungen ist es verschiedene Möglichkeiten der anaeroben Behandlung von Biokunststoffen zu untersuchen, um deren Desintegration vor der Vergärung zu verbessern. Dazu sollen verschiedene physikalische und chemische Behandlungsmethoden untersucht und auf ihre Eignung zur Desintegration hin untersucht werden. Nachfolgend sind Beispiele der untersuchten Biokunststoffe dargestellt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass eine anaerobe Verwertung desintegrierter Biokunststoffe möglich ist. Detailliertere Ergebnisse werden im Laufe des Jahres 2015 veröffentlicht.

Mikrobieller Abbau von Azofarbstoffen

Die in der Textilbranche verwendeten synthetischen Farbstoffe sind schwer abbaubar, weshalb ihre gezielte Elimination heute ueber Faellungs- und Adsorbtionsverfahren praktiziert wird. Die dadurch entstehenden Probleme der Schlammbeseitigung und Traegerregeneration sind aber noch nicht zufriedenstellend geloest. Mit der Methode der Langzeitadaption sind deshalb Mikroorganismen gewonnen worden, die bestimmte Farbstoffe abbauen koennen. Die biochemischen und genetischen Grundlagen dieser neuerworbenen Faehigkeit werden nun im Detail untersucht. Entsprechend photolytischem Abbau in der Natur. Frage nach Abbauweg und Metaboliten. Methoden: Modellverbindungen aus der Reihe der Stilbencarbonsaeuren und -sulfonsaeuren. Batchversuche und kontinuierliche Fermenter. Die-Away-Tests. Animpfung aus Wasser, Abwasser, Klaeranlagen. Isolierung von Reinkulturen mit Abbaufaehigkeit.

Semimobiles, emissionsarmes Biogassystem für landwirtschaftliche Kleinbetriebe

Im Forschungsprojekt werden semi-mobile Boxenfermenter zur Verwertung von Hühnermist entwickelt. Die Fermenter sollen bei mehreren landwirtschaftlichen Höfen befüllt werden und dann an einem zentralen Standort zur Biogaserzeugung gefahren werden. Dort wird ein zentrales BHKW mit dem erzeugten Biogas betrieben. Entscheidend ist das die Container gleichzeitig als Transport und als Fermentationsbehältnis dienen, sodass die Investitionskosten gesenkt werden können. Aufgrund des geringen Mistanfalls bei Hühnern, ist der alleinige Betrieb mit Wirtschaftsdünger schwierig. Ermöglicht werden soll dies über Befüllung mithilfe einer gasdichten Schleuse. Durch die Schleuse kann der Fermenter über mehrere Tage oder Wochen gefüllt werden ohne die bestehenden Probleme der Emissionen bei Öffnung der Anlage. Somit werden Geruchs-, H2S- und Methanfreisetzungen minimiert. Außerdem sollen dadurch auch kleinere landwirtschaftliche Betriebe in die Biogasproduktion inkludiert werden, da die geringere Wirtschaftsdünger-Produktionsrate über eine längere Befüllzeit ausgeglichen werden kann. Durch die Nutzung des Wirtschaftsdüngers in Biogasanlagen kann eine erhebliche Reduzierung des in der Landwirtschaft freigesetzten klimaschädlichen Methanausstoßes erreicht werden. Um eine möglichst konstante Gaserzeugung zu erreichen, werden die Fermenter an mehreren Höfen befüllt und zeitversetzt abgeholt. Am Standort des BHKW wird der Fermenter an das System angeschlossen. Dort wird das Substrat mit Perkolat beregnet um die Gasproduktion anzutreiben. In der Zwischenzeit wird am jeweiligen Bauernhof ein neuer Fermenter befüllt. Nach Ende der Gasproduktionszeit wird der Fermenter wieder zum Bauernhof gefahren und dort ausgetauscht. Der Gärrest aus dem Fermenter kann dann entnommen und auf die Felder gebracht werden.

Ursachen und Gegenstrategien für Schaumereignisse in Biogasanlagen

Ziel dieses Projektes ist es, Ursachen der übermäßigen Schaumbildung im Biogasprozess, die durch Vergärung von leicht abbaubaren Substraten verursacht wird, im Detail zu untersuchen, Verständnis aufzubauen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Dabei soll die Rolle der Hydrolyse-Stufe im Vordergrund stehen. Um das Forschungsthema so umfassend wie möglich zu bearbeiten, werden Expertisen aus unterschiedlichen Bereichen zusammengeführt - die Expertise zur Schaumbildung in biotechnologischen Prozessen (UFZ), zur zweiphasigen Vergärung (Universität Hohenheim), zu molekularbiologischen Aspekten der Prozessstörungen im Biogasfermenter (UFZ), sowie zur Wirtschaftlichkeitsanalyse und Akzeptanzforschung im Bereich der erneuerbaren Energien (HfWU). Am UFZ wird erforscht, welche physikochemischen Parameter der Substrate und des Fermenterinhaltes einen Einfluss auf übermäßige Schaumbildung im Biogasfermenter haben. Dabei wird untersucht, welche Parameter für die Bildung von Schaum von Bedeutung sind, wie diese Parameter so beeinflusst werden können, dass das Risiko der Schaumbildung minimiert wir und wie das Substrat vorbehandelt werden muss, um Schaumbildung im Fermenter vorzubeugen. Weiterhin wird der Frage nachgegangen, welche biotischen Parameter in der Prozessstabilisierung der anaeroben Vergärung leicht abbaubarer Substrate eine Rolle spielen. Konkret wird ermittelt, welchen Einfluss die Aktivität von Enzymen und Mikroorganismen hat und wie die Nährstoffzusammensetzung während einer Prozessstörung die Schaumentstehung beeinflusst. Dabei wird angestrebt, mikrobielle Indikatoren für ein erhöhtes Risiko zur Schaumbildung oder für einen stabilen Prozess bei der Vergärung leicht abbaubarer Substrate zu identifizieren. Auf der Basis der Ergebnisse des Projektes wird es möglich sein, stabile Prozessführung durch optimale Zusammensetzung des Substratmix und durch zielgerichtete Dosierung von Zusatzstoffen auf enzymatischer bzw. mikrobieller Basis zu gestalten.

Erprobung eines geschlossenen Hochleistungsreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung

Untersuchung eines Bioreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung. Der Reaktor besteht aus einem zylindrischen Behaelter, in dem sich zum dispergieren der Luft und zur Durchmischung der Biosuspension eine Hubeinrichtung befindet. Die Hubeinrichtung - bestehend aus einer Hubstange mit Lochscheiben - ist massgebend fuer die Leistungsfaehigkeit des Bioreaktors. Aus diesem Grunde soll der Einfluss von Hubfrequenz, Hubamplitude und Abstand der Lochscheiben auf die Verweilzeit des Abwassers untersucht werden. Weitere zu untersuchende Einflussgroessen sind: Bakterienkonzentration, Ruecklauf der Biokonzentration und Energiebedarf.

Aufbereitung oelhaltiger Schlaemme aus Leichtfluessigkeitsabscheidern in Bioreaktoren

Fuer die Entsorgung oelhaltiger Schlaemme aus Leichtfluessigkeitsabscheidern und Sandfaengen ist entsprechend den Anforderungen der TA-Abfall eine chemisch-physikalische, biologische Behandlungsanlage oder eine Sonderabfallverbrennung vorgesehen. Die von der FH Muenster vorgeschlagene Flotation mit nachfolgender biologischer Aufbereitung der flotativ behandelten Schlaemme soll eine Ablagerung der Schlaemme suf Deponien der Klasse 1 ermoeglichen. Die biologische Autbereitung kann in Mieten und Suspensionsreaktoren erfolgen und ist Gegenstand der Untersuchungen. Fuer den Abbau von durch Flotation vorbehandelten Oelschlaemmen aus Fluessigkeitsabscheidern wird eine Sludge-Airlift-Reaktoranlage eingesetzt. In ersten, auf sechs Wochen festgelegten Versuchen ist in Abhaengigkeit von der eingesetzten Kornfraktion, der zugegebenen Mikroflora sowie den Naehrsubstraten und Detergentien eine Abbauleistung zwischen 85 Prozent und 95 Prozent bei einer anfaenglichen MKW-Belastung von 80.800 mg/Reaktor ereicht worden. Strippverluste werden durch einen Abgaswaescher und die Rueckfuehrung des Waschwassers in den Bioreaktor ausgeglichen. Die eingesetzte, aus den Oelschlaemmen selektierte Mikroftora, wird extern angereichert und dem Prozess zugefuehrt.

Dezentrale Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung von CO2 aus Abgasen einer Biogasanlage, Teilvorhaben: Markt- und Kostenanalyse

Bau und Betrieb einer Biogasanlage zur gemeinsamen Vergärung von Wirtschaftsdüngern mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan

Das Verbundvorhaben zwischen der Bioenergy Concept GmbH und des CC4E der HAW Hamburg hat zum Ziel, eine innovative Modell- und Demonstrationsanlage im Landkreis Lüneburg zu realisieren, die Wirtschaftsdünger von mehreren Landwirtschaftsbetrieben zentral zu Biogas vergärt und weiter zu Biomethan aufbereitet. Die hierfür nötige Prozesswärme wird durch den Betrieb einer Pyrolyse erzeugt. Der Einsatz ligninhaltiger Reststoffen und die Produktion von Biokohle stellen ein nachhaltiges und ökologisch zukunftsfähiges Verfahren dar. Das produzierte Biomethan soll primär im Verkehrssektor eingesetzt werden. Als potentieller Hauptabnehmer hat der Landkreis Lüneburg bereits sein Interesse bekundet, das Biomethan in der vom Landkreis betriebenen Elbfähre Bleckede - Neu Darchau und zukünftig auch im ÖPNV zu nutzen. Die als Nebenprodukt pyrolytisch erzeugte Biokohle soll zur Tierfütterung und zur Stabilisierung der Prozessbiologie im Fermenter eingesetzt werden. Sie trägt so zur Aufwertung der Gärreste und zum Humusaufbau der landwirtschaftlichen Flächen bei. Das Ziel der wissenschaftlichen Begleitung seitens der HAW ist es, die Akzeptanz zur Vergärung von Wirtschaftsdüngern zu untersuchen und ggfs. zu stärken. Für die Grundlage des dafür angestrebten Wissenstransfers in alle beteiligten Gruppen soll eine umfangreiche Ausarbeitung bestehender Forschungsergebnisse dienen. Zusätzlich wird mittels Nährstoffanalysen von Edukten und Produkten ein praxisspezifischer Kenntnisstand geschaffen, insbesondere der durch Gärung bedingten, veränderten Düngeeigenschaften von Wirtschaftsdünger. Ferner soll ein allgemeiner Leitfaden zur energetisch-stofflichen Nutzung von Wirtschaftsdüngern in Biogasanlagen geschaffen werden. Eine Bilanzierung von Treibhausgasemissionen der Demonstrationsanlage bilden die Grundlage für mögliche Erweiterungen. Das Verbundvorhabens ist auf drei Jahre vom 07/2023 - 6/2026 ausgelegt und hat ein angestrebtes Fördervolumen von 1,38 Mio €.

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