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TU Berlin

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List of Publications of the Chair

Entwicklung eines Frühwarnsystems zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute einstufiger NawaRo-Biogasanlagen durch Additivzugabe
Citation key Schröder2018
Author Schröder, Patrick
Year 2018
School Technische Universität Berlin
Institution FG Umweltmikrobiologie
Abstract Zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute in einstufigen, landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden Versuche zur Entwicklung von Frühwarnindikatoren (FWI) für Prozessstörungen und von Maßnahmen zur Prozessstabilisierung, sowie zur Substratzusammensetzung durchgeführt. Ein neuer FWI wurde entwickelt, der A/elCon, das Verhältnis aus der Konzentration organischer Säuren (engl.: org. acids) zur elektrischen Leitfähigkeit (engl.: electr. conductivity), der im Labor und in der Großtechnik am effektivsten vor drohenden Prozessstörungen warnte. Als Maßnahme zur Prozessstabilisierung wurde die Zugabe von Additiven untersucht. Grundsätzlich wurde durch die Additivzugabe eine Übersäuerung bei hohen Raumbelastungen vermieden. Im Unterschied zur Leistungssteigerung ohne Additivzugabe, passte sich die mikrobielle Lebensgemeinschaft durch Zunahme der relativen Abundanz hydrogenotropher und säuretoleranter mixotropher Methanogener an hohe Raumbelastungen (BR) an. Eine Kombination aus Spurenelementen und NaOH eignete sich am besten zur Prozessstabilisierung und wurde zusammen mit dem A/elCon erfolgreich zur Etablierung einer Langzeit-Hochlast-Vergärung (bis BR = 7,5 kg oTS m 3 d 1, t > 100 d) von NawaRo eingesetzt. Eine weitere Leistungssteigerung wurde durch Co-Vergärung energiereicher lipidhaltiger Substrate erzielt. Wie aus Anlagen der Abfallwirtschaft bekannt, wurden die Hochlast-Co-Vergärungen bei CaO-Zugabe durch eine Aggregatbildung stabilisiert. Die Aggregate binden toxische, langkettige Fettsäuren und bilden Oberflächen für Biofilme. Es wurde auch eine Langzeit-Hochlast-Co-Vergärung (t > 100 d) durch Zugabe von CaO etabliert. Dabei wurde die Ausbildung einer hocheffektiven fettsäureabbauenden mikrobiellen Lebensgemeinschaft, bestehend aus syntrophen Bacteria und hydrogenotrophen Archaea detektiert, die entscheidend zur Prozessstabilität beitrug. Bei der Charakterisierung der mikrobiellen Biozönosen wurden die Ergebnisse der Metagenomanalyse und des klassischen genetischen Fingerprintings mittels DGGE verglichen. Beide Methoden zeigten eine Zunahme acidogener Bacteria und dabei speziell von Milchsäurebakterien mit zunehmender Raumbelastung. Die Ergebnisse der Metagenomanalyse waren deutlich detaillierter.For an enhancement in the time-space-yield of one-stage agricultural biogas plants, experiments for developing early warning indicators (EWI) for process failures and countermeasures for process stabilization and for adapting the substrate composition were conducted. A new EWI was developed, the A/elCon, the proportion of the concentration of organic acids to the electrical conductivity, which warned most effectively in lab- and full-scale experiments. As a countermeasure against process failures, the addition of different additives was tested. In general, the addition of additives counteracted over-acidifications at high organic loading rates (OLR). In contrast to increased OLRs without countermeasures, the microbial communities adapted to high OLRs, if additives were added, by an increase in the relative abundance of hydrogenotrophic and acid tolerant mixotrophic methanogens. The combination of trace elements and NaOH was most beneficial for stabilizing agricultural biogas processes and was successfully used in combination with the A/elCon to maintain a long-term high-performance digestion (up to OLR = 7.5 kg VS m 3 d 1, t > 100 d). A further increase in the time-space-yield was achieved by co-digesting energy-rich lipid-containing substrates. As known from the digestion of biological waste, the high-performance co-digestions were stabilized by CaO additions leading to an aggregate formation. The stabilization was based on the precipitation of toxic long-chain fatty acids with calcium and thus the formation of surfaces for biofilms. Even a long-term high-performance co-digestion (up to OLR = 9 kg VS m 3 d 1, t > 100 d) was established by adding CaO. In this connection the formation of highly effective fatty acid degrading microbial consortia was detected consisting of syntrophic bacteria and hydrogenotrophic archaea that contributed to the process stability. Analyzing the microbial communities the results of the metagenome analysis and of the classical genetic fingerprinting via DGGE were compared. Both methods showed an increase in acidogenic bacteria and thereby especially in lactic acid producing bacteria with increasing loading rates. The results of the metagenome analysis were much more detailed.
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