2009-07: Numerical modelling of anaerobic digestion processes in agricultural biogas plants

Semiramis Service and Research Unit (SeReS Unit)

Numerical modelling of anaerobic digestion processes in agricultural biogas plants
Autor: Dipl.-Ing. Dr. techn. Michael Schön

Abstract:

Anaerobe Prozesse wurden von Ingenieuren aus den Fachbereichen der
Siedlungswasserwirtschaft bzw. Umwelttechnik seit langem für die Klärschlammfaulung
angewendet. Dabei stand vor allem die Schlammstabilisierung im Vordergrund und erst in
zweiter Linie war der Energiegewinn aus dem produzierten Biogas von Interesse. In den letzten
Jahren stieg das Interesse an der Gewinnung von Biogas aus organischen Substraten massiv
an und insbesondere Ökostromgesetze ermöglichen in Europa eine wirtschaftliche Erschließung
dieser erneuerbaren Energiequelle im landwirtschaftlichen Bereich. Die anaerobe Umwandlung
von organischen Substraten über verschiedene Zwischenprodukte bis hin zum energiereichen
Biogas ist eine komplex vernetzte Prozess- bzw. Reaktionsabfolge die von verschiedenen
Konsortien von Mikroorganismen katalysiert wird.
In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit dem
Ziel betrieben, den „Black-Box-Charakter" einer Biogasanlage durch eine mechanistische
biokinetische Beschreibung transparenter zu erfassen. Thema der vorliegenden Arbeit war es,
ein anerkanntes mathematisches Simulationsmodell (ADM1-Anaerobic Digestion Model No.1
der International Water Association IWA) auf die Mono- und Co-Fermentation von
landwirtschaftlichen Nebenprodukten - insbesondere Gülle - anzuwenden und Einsicht in die
auftretenden Wirkmechanismen zu erreichen. Im Rahmen der Forschungsinitiative BioTreaT
(Forschungszentrum Seibersdorf mit den Instituten Mikrobiologie und Umwelttechnik der
Universität Innsbruck) war es möglich, die Entwicklung und Errichtung eines Prototypen einer
landwirtschaftlichen Kleinbiogasanlage im Zuge der vorliegenden Doktorarbeit zu begleiten.
Durch das enge Zusammenspiel von großtechnischen Versuchen und numerischer Simulation
konnte die Modelltheorie anaerober Prozesse der lngenieurspraxis ein Stück näher gebracht
werden.
Die Arbeit gliedert sich im Wesentlichen in 3 strukturell getrennte Teile, und zwar in

einen eigenständigen Textteil über die Hinführung zum Thema, eine Literaturrecherche,

eine Methodikbeschreibung und schließlich die Schlussfolgerungen

5 veröffentlichte bzw. eingereichte wissenschaftliche Beiträge, die als einzelne Kapitel der

Dissertation verschiedene Aspekte der Arbeit zusammenfassen

einen Anhang mit ausgelagerten Detailinformationen A-E, die den jeweiligen Artikeln

zugeordnet sind.

In Kapitel 1 wird ein kurzer geschichtlicher Rückblick auf die Entwicklung der Biogastechnologie
geboten und die Zielsetzung der Arbeit aufgezeigt. In der anschließenden Literaturrecherche
(Kapitel 2) wird der Stand der Technik anhand der bislang angewendeten verfahrenstechnischen
Möglichkeiten dargestellt. Dann werden die einzelnen biologischen Abbauschritte beschrieben
und die einzelnen Einflussfaktoren auf den Ablauf anaerober Prozesse besprochen. Das
Verständnis der Wirkungen der chemisch-physikalischen Randbedingungen wie pH-Wert,
Temperatur, usw. bzw. die Kenntnis von relevanten Nährstofflimitierungen und Inhibitionen sind
die Vorraussetzung für die nachfolgende Vorstellung des Anaerobic Digestion Model No.1. Das
Modell besteht im Wesentlichen aus Wachstumsfunktionen von funktionalen Gruppen von
Mikroorganismen, deren Stoffumwandlungen exakten Massenbilanzen entsprechen.
Zusammenfassung Dissertation Michael Schön 2
Im Methodik-Abschnitt über die durchgeführten Laborversuche (Kapitel 3) werden die
verwendete Labor-Versuchsanlage und wesentliche Messeinrichtungen beschrieben.
Praxisrelevanz erhält die Arbeit durch den unmittelbaren Bezug zur Errichtung und -
inbetriebnahme der o.g. großtechnischen Biogasanlage, deren Konzeption und Ausführung
erläutert werden. Des Weiteren werden in diesem Abschnitt die bei den Simulationen
verwendeten Kalibrierungsroutinen dargestellt. Es wird erklärt, wie anhand einzeln gemessener
Summenparameter und Elementarbilanzen auf die Verteilung der teilweise nicht direkt
messbaren Stoffgruppen im Zulauf rückgerechnet wird. Es wurde großer Wert auf die
Allgemeingültigkeit der gewonnenen Aussagen gelegt, d.h. die erzielten Erkenntnisse können
mittels der Modellbeschreibungen von den betrachteten Fällen auch auf andere
Anwendungsbeispiele übertragen werden.
Die Kapitel 4 bis 8 bestehen aus Veröffentlichungen, die einen internationalen Review-Prozess
durchlaufen haben und auf Konferenzen der IWA (International Water Association) und der
IWWG (International Waste Working Group) präsentiert bzw. beim renommiertem Fach-Journal
„Bioresource Technology“ eingereicht wurden.
Kapitel 4 der Arbeit setzt sich grundsätzlich mit dem Einsatz von so genannten erneuerbaren
Energien in den Alpen auseinander. Es werden dabei die Potenziale von Wasserkraft,
Biogaserzeugung, Geothermie, Windkraft und Sonnenenergie verglichen.
Im Kapitel 5 wird das Modell ADM1 für die Simulation der Biogaserzeugung aus Schweinegülle
und Bioabfall eingesetzt. Die Vergärung von Gülle ist seit langem ein standardisiertes Verfahren
mit hoher Prozessstabilität, aber geringen Biogasausbeuten. Die Zufuhr von weiterem
organischem Substrat kann hier eine erhebliche Steigerung der Biogasausbeute bringen. Mit
Hilfe der Simulation wird aufgezeigt, wie die Prozessführung optimiert werden kann: durch
Rezirkulation innerhalb des verwendeten 4-Kammersystems der Biogasanlage kann die
Biogaserzeugung deutlich erhöht werden.
Die dem Kapitel 6 der Promotion zugrunde liegende Publikation widmet sich noch einmal der
Behandlung von Gülle und Bioabfall. Die Problematik der Versäuerung des Reaktors durch eine
zu hohe organische Fracht (Bioabfall) wird durch die Simulation herausgearbeitet.
Im Kapitel 7 wir die Anfahrphase eines anaeroben Prozesses behandelt. Es stellt sich
grundsätzlich die Frage, ob es sinnvoll ist, zur Ingangsetzung Impfmaterial (Inokulum) aus einer
stabil arbeitenden Anlage zu verwenden oder ob die Anlage auch mit frischer Gülle angefahren
werden kann. Interessanterweise wird beim Anfahren mit einem lnokulum aus einem anderen
Anaerobreaktor trotz absichtlich herbeigeführtem steilen Anstieg der Substratbeladung kein
Einbruch der Vergärung festgestellt. Die zweite Variante (frische Gülle) mit einem
Temperaturgradienten stellt sich ebenfalls bei der Erhöhung der organischen Beladung als stabil
heraus. Mit den für diese Prozessführung durchgeführten Simulationen wird herausgearbeitet,
dass kinetische Parameter des ADM 1 angepasst werden müssen.
Im Kapitel 8 der Arbeit geht es um die für die anaerobe Behandlung extrem wichtige
Populationsdynamik. In zwei Fallstudien wird das ADM1 verwendet, um das Verhalten im
Hinblick auf die Biogasproduktion bzw. Reaktorstabilität zu erklären. Es wird gezeigt, dass mit
Hilfe von zwei Verhältniszahlen (org. Substrat/Biomasse und Konzentration org.
Säuren/Alkalinität), das Versagen einer Anlage zur Klärschlammbehandlung besser
vorhergesagt werden kann als dies anhand der org. Fracht möglich ist. Die zweite Fallstudie, die
dem Kapitel 7 entnommen ist, zeigt, dass eine permanente Zufuhr von geringen Mengen aktiver
Biomasse zu einer erheblichen Prozessstabilität beiträgt, die sonst nicht gewährleistet werden
könnte.
Im Schlusskapitel wird einerseits die Bedeutung der Modellierung für die Biogas-Branche
herausgestrichen und andererseits auf einige Einschränkungen in

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