Möglichkeiten der Intensivierung der Klärschlammfaulung durch Prozessoptimierung und Vorbehandlung:
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Darmstadt
Institut IWAR, TU Darmstadt
2018
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Möglichkeiten der Intensivierung
der Klärschlammfaulung durch Prozessoptimierung und
Vorbehandlung
Vom Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
der Technischen Universität Darmstadt
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr -Ing ) genehmigte Dissertation
von
Dipl -Wi -Ing Sophie Dorothee Lensch
aus Hamburg
Darmstadt im Januar 2018
D 17
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung I
Abstract II
Inhaltsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis VI
Tabellenverzeichnis XI
Abkürzungsverzeichnis XVI
1 Einleitung 1
1 1 Zielsetzung und Motivation 1
1 2 Aufbau der Arbeit 2
2 Grundlagen der anaeroben Stabilisierung 4
2 1 Anaerobe Abbauphasen 4
2 2 Interaktionen der Biozönose 6
221 Generationszeiten 6
222 Hydrolyseraten 7
223 Regelmechanismus H2 9
2 3 Externe Einflussfaktoren auf den anaeroben Abbau 10
231 Temperatur 10
232 Substratzusammensetzung und-verfügbarkeit 13
233 Hemmende und toxische Einflüsse 15
2 4 Verfahrenstechnische Grundlagen und deren Einfluss 20
241 Verweilzeit und Raumbelastung 21
242 Dynamische Belastungen 26
243 Co-Vergärung 27
244 Zweistufige Verfahrensweise und Kaskadenbetrieb 31
2 5 Einfluss von Desintegrationsverfahren 34
251 Thermodruckhydrolyse 35
252 Oxidative Behandlung 36
3 Bilanzierung der Klärschlammfaulung 39
3 1 CSB-Bilanz 40
3 2 Energiebilanz 45
4 Berechnung der theoretischen Gasproduktion 51
4 1 Berechnung über die Elementarzusammensetzung 51
4 2 Berechnung über abwassertechnische Parameter 52
4 3 Berechnung über Kohlenhydrate, Fette, Proteine 56
Inhaltsverzeichnis
5 Material und Methoden 59
5 1 Versuche zur Thermodruckhydrolyse 59
5 2 Gärversuche 61
521 Kontinuierliche Gärversuche 61
522 Batch-Gärversuche 64
5 3 Entwässerungsversuche 66
5 4 Substratherkunft 67
5 5 Analytische Verfahren 68
5 6 Statistische Auswertung 69
561 Signifikanztests 71
562 Korrelation und Regression 74
6 Untersuchungen zur Thermodruckhydrolyse 76
6 1 Charakterisierung der verwendeten Schlämme 76
6 2 Aufschlussgradbestimmung 77
6 3 Aufschlussergebnisse der Thermodruckhydrolyse 78
631 Vergleich unterschiedlicher Schlammtypen 78
632 Vergleich unterschiedlicher Behandlungstemperaturen 81
633 Vergleich unterschiedlicher Oxidationsmittelzugaben 87
6 4 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse 93
7 Untersuchungen zum Abbauverhalten 94
7 1 Charakterisierung der Ausgangssubstrate 94
7 2 Einfluss der Substratzusammensetzung 96
721 Einfluss der Substratzusammensetzung auf die Prozessstabilität und Prozessqualität 97
722 Einfluss der Substratzusammensetzung auf das Abbauverhalten 101
723 Einfluss der Substratzusammensetzung auf das Entwässerungsverhalten 106
724 Kurzzusammenfassung der Ergebnisse aus #C 110
7 3 Einfluss der Betriebsparameter Raumbelastung und Verweilzeit 110
731 Einfluss von Verweilzeit und Raumbelastung auf die Prozessstabilität und
Prozessqualität 111
732 Einfluss von Verweilzeit und Raumbelastung auf das Abbauverhalten 116
731 Kurzzusammenfassung der Ergebnisse aus #B 120
7 4 Einfluss der Betriebstemperatur 120
741 Einfluss der Betriebstemperatur auf die Prozessstabilität und Prozessqualität 121
742 Einfluss der Betriebstemperatur auf das Abbauverhalten 125
743 Einfluss der Betriebstemperatur auf das Entwässerungsverhalten 129
741 Kurzzusammenfassung der Ergebnisse aus #T 130
7 5 Einfluss der Hydrolyse 131
751 Einfluss der Vorbehandlung auf die Prozessstabilität und Prozessqualität 133
752 Einfluss der Vorbehandlung auf das Abbauverhalten 137
753 Einfluss der Vorbehandlung auf das Entwässerungsverhalten 145
IV
Inhaltsverzeichnis
754 Kurzzusammenfassung der Ergebnisse aus #H 146
7 6 Bilanzierungsansätze der Laborversuche 147
761 Einschränkende Annahmen der Bilanzierung 147
762 Stoffliche Bilanzierung 148
7 7 Abschätzung von Abbaugrad und Methanproduktion 152
7 8 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse 156
8 Vergleichende Betrachtung der Untersuchungsergebnisse 161
8 1 Beispielrechnung 161
811 Möglichkeiten bei geringer Auslastung 162
812 Möglichkeiten bei geringem Abbaugrad 170
8 2 Konsequenzen der Maßnahmen zur Intensivierung 179
8 3 Beitrag der Intensivierung für eine zukunftsfähige Wasserwirtschaft 185
9 Zusammenfassung 189
10 Literaturverzeichnis 194
Anhang A Grundlagen der anaeroben Stabilisierung 210
Anhang B Bilanzierung 214
Anhang C Berechnung der theoretischen Gasproduktion 215
Anhang D Untersuchungen zur Thermodruckhydrolyse 217
Anhang E Untersuchungen zum Abbauverhalten 218
El Inputcharakterisierung 218
E2 Prozessstabilität und -qualität 219
E3 Abbauleistung 221
Anhang F Statistische Auswertungen zu den Abbauversuchen 224
Fl Korrelationsmatrizen der Gärversuche 224
F2 Korrelationsmatrizen der Entwässerungsversuche 228
F3 Regressionsanalysen Gärversuche 229
F4 Regressionsanalysen Entwässerungsversuche 238
Anhang G Beispielrechnung 242
Gl Bemessung und Kennwerte der Klärschlammfaulung 242
G2 Schlammeindickung, -entwässerung und -entsorgung und Prozesswasserbehandlung 244
G3 Energiebilanz 246
G4 Investitions- und Betriebskosten 251
Inhaltsverzeichnis |
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