Methodenentwicklung und Bewertung zur Charakterisierung des anaeroben Abbauverhaltens organischer Stoffe:
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Hannover
Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Leibniz Universität Hannover
2017
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I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielsetzung 1
2 Grundlagen des anaeroben Abbaus 3
2 1 Anaerober Abbau 3
211 Anaerober Abbau von Kohlenhydraten 4
2111 Hydrolyse von Kohlenhydraten 9
2112 Versäuerung von Monosacchariden 9
2113 Essigsäurebildung (Acetogenese) 9
2114 Biogasbildung (Methanogenese) 10
212 Anaerober Abbau von Proteinen 11
2121 Hydrolyse von Proteinen 12
2122 Fermentation von Aminosäuren und Methanbildung 13
213 Anaerober Abbau von Fetten 15
2131 Hydrolyse der Lipide 16
2132 Anaerobe Oxidation langkettiger Fettsäuren und Methanbildung 17
2 2 Bestimmungsmethoden der anaeroben Abbaubarkeit, Aktivität und Hemmung
18
221 Anaerobe Batch-Tests 19
2211 Messung des Substratabbaus 22
2212 Messung der Produktbildung 22
222 Bestimmung der Aktivität bzw des Vorhandenseins der
Mikroorganismengruppen mittels mikrobiologischer Methoden 26
222 116S rDNA Klonierung 27
2222 DGGE (Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese) 27
2223 FISH (Fluoreszenz in Situ Hybridisierung) 27
2224 Ko- Enzym F420 27
223 Berechnung des theoretisch möglichen Biogas- und Methanertrags sowie der
Abbaubarkeit 28
2231 Berechnung nach stöchiometrischen Gleichungen 29
2232 Berechnung nach Oxidationszahl des Kohlenstoffs, CSB und TOC 31
2233 Berechnung nach Futterwerttabellen bzw nach Keymer (1999) 33
Verzeichnisse
2234 Berechnung nach Weißbach (2008a, 2009b) 36
2235 Berechnung nach Methanenergiewertmodell und Kaiser (2007) 37
2236 Berechnung nach VDI 4630 (2006) 40
3 Material und Methoden 42
3 1 Analytik 42
311 Trockenrückstand, organische Trockenrückstand 42
312 Chemischer Sauerstoffbedarf 42
313 Brennwert 43
314 Organische Säuren 43
315 Ammonium 43
316 Zusammensetzung des Biogases 43
317 Fett 44
318 Protein 44
319 Kohlenhydrat 45
3 1 10 NDF, ADF und ADL 45
3 2 Anaerobe Batch-Tests, eigene Weiterentwicklung 45
321 Technischer Aufbau 46
3211 System 1- Diskontinuierliche Messung des Druckes 47
3212 System 2- Kontinuierliche Messung des Druckes 47
3213 System 3- Kontinuierliche Messung von Biogasvolumen und der
Gaszusammensetzung 48
3214 System 4- Kontinuierliche Messung der Methanmenge 49
322 Durchführung 50
3221 Auswahl von Inokulum und Substrat 51
3222 Voranalyse und Testvorbereitung 51
3223 Substrat/Inokulum (S/l)- Verhältnis bzw Schlammbelastung 53
3224 Endanalyse 53
323 Auswertung 54
3231 Quantitative Auswertung nach VDI 4630 54
3232 Qualitative Auswertung 56
3233 Weitere Auswertungsmöglichkeiten der anaerobe Batch-Tests nach VDI 4630
(2006) 57
324 Abbaubarkeitstests 58
Verzeichnisse
325 Aktivitätstests 62
326 Hemmtests 65
3 3 Eingesetzte Substrate und Kennzahlen 66
4 Eigene Untersuchungen und Ergebnisse 69
4 1 Einflussfaktoren und Fehlerquellen bei der Durchführung der Batch-Tests -
Methodenüberprüfung und Entwicklung 70
411 Inokulum 73
412 Substrat 80
413 Schlammbelastung bzw Substrat/Inokulum (S/l)- Verhältnis und Gesamt-TR-
Konzentration 84
414 Zugabe von Makro- und Mikronährstoffen 87
415 pH-Wert und Pufferzugabe 90
416 Durchmischung 92
417 Temperatur 93
418 Reaktorgröße, Gas/Flüssig-Verhältnis 94
419 Befüllung der Testflaschen 94
4 1 10 Spülung der Testflaschen 95
4 1 11 Inkubationszeit 97
4 1 12 Art der Gasmengenmessung, Gaslöslichkeit, Normkonditionen 97
4 1 13 Verhaltensunterschiede der Mikroorganismen 104
4 2 Ergebnisse der Abbaubarkeitstests- Korrelation zwischen
Substratzusammensetzung und spezifischer Gasproduktion 105
421 Kohlenhydrate 105
422 Proteine 114
423 Lipide und Glycerin 121
424 Mischsubstrate 123
4241 Substrate mit hohem Kohlenhydratanteil 123
4242 Substrate mit hohem Proteinanteil 138
4243 Substrate mit hohem Fettanteil 147
4244 Mischungen 158
425 Einfluss des Ligningehaltes auf die Abbaubarkeit 161
4 3 Vergleich theoretischer und ermittelter Gasproduktionen 183
4 4 Ergebnisse der Aktivitätstests/ Kinetische Parameter 203
IV
Verzeichnisse
441 SMA - Spezifische Methanbildungsaktivität 203
442 SHA - Spezifische Hydrolyseaktivität 223
443 SVA - Spezifische Versäuerungsaktivität 229
444 Aktivitätsvergleich von Schlämmen unterschiedlicher Herkunft 234
445 Einfluss von Lagerung bei 6 °C auf der SHA, SVA und SMA 236
4 5 Ergebnisse der Hemmtests 238
451 Ammonium/Ammoniakhemmung 238
452 Propionsäurehemmung 243
5 Zusammenfassung und Ausblick 246
6 Literaturverzeichnis 254
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