Investigation of high load anaerobic digester design parameters : effect of reaction kinetics on digester design recommendations

Abstract

Die anaerobe Vergärung oder Faulung ist ein wesentlicher Bestandteil der Klärschlammbehandlung. Dieser Prozess reduziert und stabilisiert partikuläre und gelöste organische Substanzen, reduziert Gerüche und erzeugt Energie. Die Relevanz des Faulungsprozesses ist eindeutig, jedoch kann das Design von Faulbehältern noch verbessert werden. Heute basieren Auslegungsempfehlungen für Faulbehälter auf empirischen Ansätzen oder Kinetiken erster Ordnung. Diese Ansätze weisen einige Einschränkungen auf: Sie beschreiben nicht die Leistung von Faulbehältern unter Hochlastbedingungen und niedrigen hydraulischen Verweilzeiten, sie unterstützen den Konstrukteur nicht bei der Vorhersage von Auswaschsituationen und sie beschreiben nicht genau die Leistung von zwei in Reihe geschalteten Reaktoren. Diese Arbeit zeigt, dass eine einfache Michaelis-Menten-Typ Kinetik für die Auslegung von Faulbehältern auf Kläranlagen geeigneter ist, wie die Auswertung von Daten anaerober Faulbehälter zeigt. Die vorgestellten Ergebnisse wurden aus den Betriebstagebüchern von 12 anaeroben Faulbehältern auf Kläranlagen ermittelt. Vier Faulbehälter werden als Hochlastfaulungen betrieben und acht Faulbehälter werden als typische Faulungen betrieben. Insgesamt wurden mehr als 40 Jahre Betriebsdaten und 18 verschiedene betriebliche Einstellungen analysiert. Die hydraulische Verweilzeit der 18 ausgewerteten Betriebseinstellungen lag zwischen 5 und 85 Tagen. Die organische Raumbelastung lag zwischen 0,3 kgoTR/(m3*d) und 6,9 kgoTR/(m3*d). Die analysierten Faulbehälter wiesen eine Feststoffkonzentration zwischen 2% TS und 9% TS im Zulauf und eine Feststoffzusammensetzung auf, die durch Primär- und Überschussschlamm beeinflusst wird. Der Umsatz des organischen Trockenrückstands (oTR) (47% bis 68%) und die spezifische Biogaserzeugung pro zugeführtes organisches Substrat (209 l/kgoTRAd - 732 l/kgoTRAd) wurden bestimmt. Der Reaktorwirkungsgrad wurde durch die Gesamtfeststoffentfernungsrate [0,2 kg/(m3*d) - 3,2 kg/(m3*d)] und die spezifische Biogasproduktionsrate [0,15 m3/(m3*d) – 3,4 m3/(m3*d)] ermittelt. Zur Beschreibung der anaeroben Vergärung wurden zwei kinetische Modelle evaluiert: das klassische kinetische Modell erster Ordnung (0,2 1/d ≤ k1st ≤10 1/d) und ein kinetisches Modell auf der Basis der Michaelis-Menten-Kinetik (1 g/l ≤ CM ≤ 10 g/l; 0,12 1/d ≤ kCmax ≤ 0,60 1/d). Die relevanten kinetischen Konstanten wurden aus der Literatur ausgewählt und innerhalb dieses Bereichs angepasst. Eine Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt, um die Relevanz der kinetischen und Prozessparameter zu untersuchen. Innerhalb des untersuchten Bereichs wurde die Leistung des Reaktors am stärksten von der biologischen Abbaubarkeit und der spezifischen Biomassewachstumsrate kCmax beeinflusst. Ein typisches Faulbehälter Design basierend auf der Kinetik erster Ordnung wurde mit einer Michaelis-Menten-Typ Kinetik und mit den Ergebnissen der analysierten Kläranlagen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei höheren hydraulischen Verweilzeiten über 20 Tagen, die Kinetik erster Ordnung und Michaelis-Menten-Typ Kinetik beide gleichwertig eingesetzt werden können. Bei niedrigeren Verweilzeiten zeigten Michaelis-Menten-Typ-Kinetiken genauere Vorhersagen. Es war möglich: die Leistungsfähigkeit des Faulbehälters unter hohen organischen Belastungsraten und niedrigen hydraulischen Verweilzeiten zu beschreiben, den Auswaschpunkt vorherzusagen und die Leistung von zwei Faulbehältern in Serie vorherzusagen. Die Möglichkeit, maximale Reaktionsraten und Auswaschphänomene zu berücksichtigen, verbunden mit einer guten Genauigkeit, erlaubt ein erweitertes Verständnis des Optimierungspotentials eines Faulbehälters. Das Verhalten der Hochlastfaulung, zwei hintereinandergeschalteter Faulbehälter und der Schlammrückhaltung lassen sich durch eine Michaelis-Menten-Kinetik genauer beschreiben. Dadurch können Optimierungen abgeleitet und die Auslegung und Steuerung von Faulbehältern erweitert werden.