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Ein Abwasserfermenter wandelt biologisch abbaubare Feststoffe in einen stabileren Biofeststoffstrom um und produziert gleichzeitig methanreiches Biogas. In kommunalen Kläranlagen wird die anaerobe Vergärung üblicherweise nach der primären und sekundären Feststofftrennung eingesetzt, um flüchtige Feststoffe, Gerüche, den Gehalt an Krankheitserregern und die Menge an Schlamm, die einer Endbehandlung bedarf, zu reduzieren.
Für eine zuverlässige Vergärung kommt es jedoch auf viel mehr an, als den Schlamm in einen sauerstofffreien Tank zu füllen. Temperatur, hydraulische Verweilzeit, organische Beladung, Mischung, Alkalität und Futterkonsistenz wirken sich alle auf die Mikrobenpopulation aus, die letztendlich Methan produziert.
Für Betreiber und Planer von Abwasseraufbereitungsanlagen ist das Verständnis dieser Zusammenhänge von entscheidender Bedeutung, wenn sie die Fermenterkapazität bewerten, Fehler in einem instabilen Betrieb beheben oder die Biogasrückgewinnung und die Produktion von erneuerbarem Erdgas in Betracht ziehen.
Die anaerobe Vergärung ist ein biologischer Umwandlungsprozess, der von mehreren nacheinander arbeitenden Gruppen von Mikroorganismen durchgeführt wird. Der Prozess wird normalerweise in vier Schritten beschrieben.
1. Hydrolyse
Große organische Moleküle wie Proteine, Kohlenhydrate und Fette können von vielen anaeroben Mikroorganismen nicht direkt genutzt werden. Während der Hydrolyse werden sie von extrazellulären Enzymen in kleinere lösliche Verbindungen wie Aminosäuren, Zucker und Fettsäuren zerlegt.
Die Hydrolyse kann zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt werden, wenn Schlamm langsam biologisch abbaubare Partikel enthält.
2. Acidogenese
Acidogene Bakterien wandeln die löslichen Verbindungen in flüchtige Fettsäuren (VFAs), Alkohole, Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und andere Zwischenprodukte um.
Diese Phase erfolgt relativ schnell. Wenn die Säureproduktion schneller wird, als die nachgeschaltete methanogene Bevölkerung die Zwischenprodukte verbrauchen kann, reichern sich VFAs an und der pH-Wert im Fermenter kann sinken.
3. Acetogenese
Acetogene Organismen wandeln höhere VFAs und Alkohole hauptsächlich in Acetat, Wasserstoff und Kohlendioxid um. Diese Verbindungen werden zu den Hauptsubstraten für methanbildende Mikroorganismen.
4. Methanogenese
Methanogene Archaeen wandeln Acetat und Wasserstoff/Kohlendioxid in Methan um. Sie wachsen langsamer und reagieren empfindlicher auf Temperatur, pH-Wert, toxische Verbindungen und plötzliche Belastungsänderungen als viele säurebildende Organismen.
Das übergeordnete Ziel besteht also nicht nur in der „Zersetzung“. Ein gut betriebener Fermenter hält alle vier biologischen Stufen im Gleichgewicht, so dass flüchtige Feststoffe stabilisiert werden, anstatt dass sich Zwischensäuren ansammeln.
Die EPA stellt fest, dass die anaerobe Vergärung Abwasserfeststoffe stabilisiert, Gerüche und Krankheitserreger reduziert und einen Teil der flüchtigen Feststofffraktion in Biogas umwandelt.
Für das Biosolids-Management in den USA: Reduzierung flüchtiger Feststoffe um 38 % ist auch ein wichtiger Maßstab, da es sich um eine unter 40 CFR 503.33 spezifizierte Methode zum Nachweis der Reduzierung der Vektoranziehung handelt.
Abwasserfaulen werden nach Schlammeigenschaften, Feststoffkonzentration, Standortgröße, Beladungsrate und gewünschter Energierückgewinnung ausgewählt.
Ein kontinuierlich gerührter Tankreaktor, oder CSTR ist eine der bekanntesten Konfigurationen für kommunalen Abwasserschlamm.
Das Mischen hält Feststoffe in der Schwebe, verteilt Wärme und zugeführtes Futter und reduziert lokale Säure- oder Temperaturgradienten. Heizsysteme werden üblicherweise zur Aufrechterhaltung einer stabilen Betriebstemperatur eingesetzt.
Für die mesophile kommunale Schlammfaulung ist eine Temperatur nahe 35°C (95°F) ist weit verbreitet. Die EPA-Richtlinien verbinden in der Vergangenheit eine Verweilzeit von etwa 15 Tagen bei 35 °C in einem vollständig gemischten Hochgeschwindigkeitskocher mit Bedingungen, die eine erhebliche Reduzierung flüchtiger Feststoffe ermöglichen.
Die tatsächliche HRT-Auslegung dauert oft länger und sollte auf den Schlammeigenschaften, der Feststoffbeladung, der Temperatur, der Redundanz und den Behandlungszielen basieren.
Ein Aufwärtsströmende anaerobe Schlammdecke (UASB) Der Reaktor funktioniert anders. Das Abwasser fließt nach oben durch eine dichte anaerobe Schlammdecke, die körnige oder flockige Biomasse enthält.
UASB-Systeme sind besonders für relativ hochkonzentrierte Industrieabwässer attraktiv, da sie eine große Konzentration aktiver Biomasse bei vergleichsweise kurzen hydraulischen Verweilzeiten zurückhalten können.
Sie eignen sich im Allgemeinen eher für lösliches oder leicht biologisch abbaubares Abwasser als für dicken kommunalen Schlamm, der hohe Konzentrationen an Schwebstoffen enthält.
Überdachte Lagunen bieten eine Option mit geringerer Komplexität für warme Klimazonen und bestimmte landwirtschaftliche oder industrielle Abwässer. Eine flexible Abdeckung fängt das erzeugte Biogas auf, während die Lagune das Vergärungsvolumen bereitstellt.
Sie benötigen im Allgemeinen mehr Land und bieten weniger Prozesskontrolle als beheizte Mischfermenter.
Unabhängig von der Konfiguration müssen mehrere Parameter im Gleichgewicht bleiben:
| Betriebsparameter | Typische Überlegung |
|---|---|
| Mesophile Temperatur | Ungefähr 30–38°C |
| Thermophile Temperatur | Ungefähr 50–57°C |
| pH-Wert des Fermenters | Üblicherweise etwa 6,8–7,5 |
| HRT | Hängt stark vom Reaktortyp, der Beschickung und der Temperatur ab |
| OLR | Muss mit aktiver Biomasse und Mischkapazität übereinstimmen |
| Alkalität | Bietet Pufferung gegen VFA-Akkumulation |
| Mischen | Verhindert Schichtung, Schaumbildung und örtliche Überlastung |
Diese Zahlen sollten als betriebliche Ausgangspunkte und nicht als universelle Designspezifikationen betrachtet werden.
Beispielsweise bedeutet eine Erhöhung der OLR ohne Berücksichtigung der HRT, dass mehr biologisch abbaubares Material in das gleiche Reaktorvolumen gelangt. Säurebildende Organismen können schnell reagieren, während methanogene Organismen ihre Aktivität nicht im gleichen Tempo steigern können.
Ebenso kann eine gute Durchmischung eine unzureichende Erhitzung nicht kompensieren und eine hohe Alkalität kann eine starke organische Überladung nicht dauerhaft ausgleichen.
Eine stabile Verdauung entsteht durch die Aufrechterhaltung der kombinierte biologische Umgebung , nicht die Optimierung eines Parameters isoliert.
Einaerobic digestion produces biogas containing primarily methane and carbon dioxide together with water vapor, hydrogen sulfide, and trace contaminants.
Die EPA beschreibt Rohbiogas aus anaeroben Systemen als üblicherweise etwa enthaltend 45–65 % Methan , obwohl die tatsächliche Zusammensetzung stark vom Einsatzmaterial und dem Betrieb abhängt.
In Abwasseranlagen kann dieses Gas sein:
Kommunalschlamm allein maximiert möglicherweise nicht immer das Energiepotenzial eines vorhandenen Faulbehälters.
Durch die Zugabe geeigneter energiereicher organischer Abfälle wie Rückstände aus der Lebensmittelverarbeitung, Lebensmittelabfälle, Fette, Öle und Fette kann der Anteil an biologisch abbaubarem Kohlenstoff erhöht und somit die Biogasproduktion gesteigert werden.
Die EPA identifiziert die Co-Vergärung als eine Methode, die die Gasproduktion aus ansonsten ertragsschwachen Rohstoffen steigern kann. Eine zitierte US-Abwasseranlage, die Abfälle aus der Lebensmittelverarbeitung sowie Fette, Öle und Fette aufnimmt, hat ihre Biogasproduktion etwa verdoppelt.
Dies bedeutet nicht, dass eine maximale Futterzugabe wünschenswert ist. Eingehende Substrate sollten bewertet werden auf:
Rohes Faulgas ist normalerweise nicht für die direkte Einspeisung in eine Erdgasleitung geeignet.
Eine typische Modernisierung umfasst mehrere Behandlungsschritte:
Entfernung von Schwefelwasserstoff: Eisenbasierte Medien, Aktivkohle, biologische Entschwefelung oder andere Technologien entfernen korrosives H2S.
Feuchtigkeitsentfernung: Durch Kühlung, Kondensation, Trocknung oder Adsorption wird Wasserdampf reduziert.
CO2-Abscheidung: Membrantrennung, Druckwechseladsorption, Wasserwäsche oder chemische Absorption können die Methankonzentration erhöhen.
Kontrolle von Spurenverunreinigungen: Abhängig von der Abwasserquelle und der endgültigen Gasspezifikation müssen möglicherweise auch Siloxane und VOCs entfernt werden.
Die EPA berichtet, dass aufgerüstetes RNG im Allgemeinen mindestens 90 % Methan enthält, während in Pipelines eingespeistes RNG üblicherweise etwa 90 % Methan enthält 96–98 % Methan , vorbehaltlich der Gasqualitätsspezifikationen des empfangenden Versorgungsunternehmens.
Bei US-Projekten kann qualifiziertes erneuerbares CNG oder LNG, das aus Biogas aus kommunalen Abwasseraufbereitungsanlagen hergestellt wird, auch unter die genehmigten Pfade im Rahmen des Bundesstandards für erneuerbare Kraftstoffe fallen.
Betreiber sollten auf Trends reagieren, bevor die Methanproduktion einbricht.
Schäumend may result from filamentous organisms in the incoming sludge, rapid gas release, inadequate mixing, sudden loading changes, high concentrations of fats or proteins, or poor solids withdrawal.
Zu den Warnzeichen gehören:
Zu den Korrekturmaßnahmen können die Reduzierung der Beladung, die Verbesserung der Mischverteilung, die Verwaltung problematischer Einsatzstoffe, die Anpassung der Schlammentnahme und die mechanische Kontrolle von hartnäckigem Schaum gehören.
Ein plötzlicher Anstieg der organischen Belastung erhöht häufig die Säureproduktion, bevor methanbildende Organismen reagieren können.
VFA beginnt sich anzusammeln, Alkalität wird verbraucht und der pH-Wert sinkt schließlich.
Allerdings Der pH-Wert allein ist ein Spätindikator weil die Bikarbonatpufferung eine sich entwickelnde Instabilität verbergen kann.
Daher verfolgen Betreiber den VFA üblicherweise zusammen mit der Gesamt- oder Bikarbonatalkalität. Eine stetig steigende VFA-zu-Alkalität-Verhältnis ist in der Regel wichtiger als eine isolierte Lektüre. Als praktische Betriebsregel weisen Werte unter etwa 0,3 im Allgemeinen auf eine angenehme Pufferung hin, während eine anhaltende Bewegung in Richtung etwa 0,4–0,5 oder höher eine Untersuchung auslösen sollte. Standortspezifische historische Trends sollten immer Vorrang vor einem universellen Alarmpunkt haben.
Mögliche Antworten sind:
Proteinreiche Rohstoffe setzen Ammoniak frei, während schwefelhaltige Abfälle Schwefelwasserstoff erzeugen können.
Der toxische Anteil von Ammoniak hängt stark vom pH-Wert und der Temperatur ab, sodass eine Gesamtammoniakkonzentration, die in einer Anlage erfolgreich funktioniert, unter anderen Bedingungen zu einer Hemmung führen kann.
Sulfid stellt sowohl biologische als auch betriebliche Probleme dar, da gelöstes Sulfid Mikroorganismen hemmen kann, während gasförmiges H2S ernsthafte Korrosions- und Sicherheitsbedenken hervorruft.
Im Trend Methananteil, CO2, H2S, VFA, Alkalität, pH-Wert, Gasproduktion und Futterbeladung zusammen bietet ein viel stärkeres Frühwarnsystem, als wenn man sich nur auf das Gasvolumen verlässt.
Einaerobic digestion does not eliminate sludge. It converts biodegradable organic material while leaving a stabilized digestate containing water, residual solids, nitrogen, phosphorus and inorganic material.
Nach der Faulung werden in Abwasseranlagen üblicherweise Zentrifugen, Siebbandpressen, Schneckenpressen oder andere Entwässerungsgeräte eingesetzt, um das Transportvolumen zu reduzieren.
Das flüssige Zentrat oder Filtrat führt normalerweise erhebliche Mengen Ammoniak und löslichen Phosphor in den Abwasserbehandlungsprozess zurück. In größeren Anlagen rechtfertigen diese Nebenstrom-Nährstoffbelastungen möglicherweise eine separate Stickstoffbehandlung oder Phosphorrückgewinnung.
Eine immer wichtigere Option ist die Rückgewinnung von Phosphor als verwertbares Phosphatprodukt, anstatt eine unkontrollierte Struvitausfällung in Rohren, Pumpen und Entwässerungsanlagen zuzulassen.
Bei der Prozessgestaltung muss auch die Entsorgung von Biofeststoffen berücksichtigt werden.
Gemäß den US-EPA-Regeln gilt: Klasse A und Klasse B beziehen sich hauptsächlich auf Anforderungen zur Reduzierung von Krankheitserregern und sie stellen unterschiedliche Managementanforderungen für die Landausbringung. Biofeststoffe der Klasse B können immer noch nachweisbare Krankheitserreger enthalten und erfordern daher Standortbeschränkungen, während Biofeststoffe der Klasse A strengere Anforderungen an die Reduzierung von Krankheitserregern erfüllen.
Einaerobic digestion by itself should therefore not automatically be described as producing “Class A biosolids.” The complete treatment train and applicable Part 503 criteria determine the final classification.
Der Start sollte schrittweise erfolgen.
Eine praktische Abfolge umfasst:
Das sofortige Laden eines neuen Fermenters auf die volle Auslegungskapazität kann dazu führen, dass die Säureproduktion die sich entwickelnde methanogene Population übersteigt.
Aus wirtschaftlicher Sicht ist der beste Abwasserfermenter daher nicht unbedingt der Reaktor, der möglichst viel Biogas produziert. Betreiber sollten Heiz- und Mischenergie, Einsparungen bei der Feststoffentsorgung, Chemikalienverbrauch, Wartung, Biogasnutzung, Nährstoffnebenstrombehandlung und potenzielle RNG- oder Stromeinnahmen in einer integrierten Bilanz vergleichen.
Die Leistung eines Faulbehälters beginnt mit der genauen Charakterisierung von Abwasser und Schlamm.
Definieren Sie vor der Auswahl eines Reaktors, Mischsystems, einer Gasaufbereitungseinheit oder einer zugehörigen Abwasserbehandlungsausrüstung die erwartete Feststoffbeladung, die CSB-Eigenschaften, die Temperatur, den Schwefel- und Stickstoffgehalt, den HRT-Anforderungen, den endgültigen Weg der Biofeststoffe und die beabsichtigte Verwendung des Biogases.
Hangzhou Nihao Environmental Tech Co., Ltd. liefert Produkte zur Abwasseraufbereitung und unterstützt kommunale und industrielle Aufbereitungsprojekte mit prozessorientierter Geräteauswahl.
Wenn Sie eine neue Abwasseraufbereitungsanlage planen oder einen bestehenden biologischen Prozess modernisieren möchten, wenden Sie sich an Nihao-Wasser mit Ihrer Durchflussrate, den Abwassereigenschaften, dem Behandlungsziel und vorhandenen Prozessinformationen. Unser Team kann bei der Bewertung geeigneter Behandlungskonfigurationen und unterstützender Ausrüstung für die gesamte Abwasserbehandlungsanlage helfen.
Die vier Stufen sind Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese. Komplexes organisches Material wird zunächst in lösliche Verbindungen umgewandelt, dann in flüchtige Säuren und andere Zwischenprodukte, gefolgt von Acetat und Wasserstoff und schließlich Methan und Kohlendioxid.
Die mesophile Vergärung erfolgt üblicherweise bei etwa 30–38 °C, wobei in kommunalen Schlammfaulern häufig etwa 35 °C verwendet werden. Die thermophile Verdauung findet normalerweise bei etwa 50–57 °C statt. Thermophile Systeme können schnellere biologische Reaktionen und eine stärkere Reduzierung von Krankheitserregern ermöglichen, reagieren jedoch im Allgemeinen empfindlicher auf Temperaturänderungen und Prozessstörungen.
HRT bestimmt, wie lange Material im Reaktor verbleibt, während OLR angibt, wie viel organisches Material pro Reaktorvolumeneinheit und Tag ausgebracht wird. Übermäßige Beladung in Kombination mit unzureichender Retention kann zu einer VFA-Akkumulation führen, da die Säurebildung die methanogene Umwandlungskapazität übersteigt.
Schäumend may be associated with filamentous organisms, high protein or fat loading, rapid gas production, poor mixing, feed variations, and accumulated scum. Control measures include identifying the source, correcting loading or mixing conditions, managing feedstocks, and removing accumulated foam or scum where necessary.
Rohbiogas wird gereinigt, um Wasser, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und Verunreinigungen wie Siloxane und VOCs zu entfernen. Zu den Technologien können Aktivkohle, Eisenmedien, Membranen, Druckwechseladsorptions- und Waschsysteme gehören. RNG in Pipelinequalität erfordert typischerweise eine viel höhere Methankonzentration als unbehandeltes Faulgas.
Viele kommunale Faulanlagen zielen je nach biologischer Abbaubarkeit des Schlamms und Prozessdesign auf eine Zerstörung flüchtiger Feststoffe von etwa 40–60 % ab. In den Vereinigten Staaten ist die Reduzierung flüchtiger Feststoffe um 38 % besonders wichtig, da es sich um eine EPA-Option zum Nachweis der Reduzierung der Vektoranziehung gemäß 40 CFR Teil 503 handelt.
Zu den größten Gefahren zählen das Brand- und Explosionsrisiko von Methan, die Toxizität von Schwefelwasserstoff, sauerstoffarme Atmosphären, unter Druck stehendes Gas, enge Räume und bewegliche Geräte. Einrichtungen sollten geeignete Gaserkennung, Belüftung, Druck- und Vakuumschutz, Flammenkontrolle, elektrische Klassifizierung, Verfahren für beengte Räume, Notabschaltsysteme und standortspezifische Betriebsverfahren verwenden. Geltende OSHA-, Brandschutz- und Elektrovorschriften sowie lokale Anforderungen sollten während des Systemdesigns und -betriebs überprüft werden.
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