Anaerobe Abfallbehandlung

Unter der anaeroben Abfallbehandlung versteht man Vergärungsverfahren zur Behandlung von organischen Substanzen in Abwesenheit von Sauerstoff. Ziel der anaeroben Behandlung von Bioabfällen ist, neben dem Abbau der Substrate durch die im Abfall enthaltenen Mikroorganismen, die Gewinnung von Methan, welches einer energetischen Nutzung zugeführt wird. Die in der Biomasse enthaltene Bestandteile wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette werden in Methan, Wasser, Kohlenstoffdioxid, weitere Stoffwechselprodukte und Wärme umgewandelt. Die in der Biomasse enthaltene Energie wird zum einen als Prozesswärme abgegeben, ist aber zum Großteil im entstandenen Methan gespeichert. Der Anteil des Methans am gesamten während des Vergärungsprozesses produzierten Biogases liegt in der Regel zwischen 50 Prozent und 65 Prozent. Der übrige Volumenanteil besteht aus Kohlenstoffdioxid und Spurengasen wie Schwefelwasserstoff oder Ammoniak.

Abbauprozess

Der Vergärungsprozess lässt sich in die Phasen Hydrolyse, Acidogenese oder Versäuerung, Acetogenese und Methanogenese untergliedern. In der ersten Phase, der Hydrolyse, werden die langkettigen komplexen Substratstrukturen wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette in Monosaccharide, Aminosäuren und langkettige Fettsäuren aufgespalten. Diese Produkte liegen gelöst im Wasser vor und werden in der zweiten Phase, der Acidogenese, von säurebildenden Bakterien unter fakultativ anaeroben Bedingungen zu flüchtigen Fettsäuren, wie beispielsweise Essig- und Buttersäure, sowie niederen Alkoholen, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgewandelt. In der dritten Phase, der Acetogenese, werden die organischen Säuren und Alkohole von Bakterien zu Essig- oder Ameisensäure umgewandelt, welche dann in der vierten Phase von den streng anaeroben methanbildenden Bakterien unter Wärmeabgabe zu Methan und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. Ungefähr 70 Prozent der Methanproduktion geht dabei auf die beschriebene Spaltung von Essigsäure zurück. Die restlichen 30 Prozent entstehen über die Oxidation des in der zweiten und dritten Phase entstandenen Wasserstoffs und Kohlenstoffdioxids, welche dabei direkt zu Methan umgewandelt werden.

Limitierende Faktoren für die Biologie der anaeroben Abfallbehandlung sind der Restsauerstoffgehalt und Wassergehalt des organischen Substrats, die Temperatur sowie die Anwesenheit von Inhibitoren wie Ammoniak. Die durch die Entstehung freier Fettsäuren bedingte pH-Wert-Änderung während des Abbauprozesses hat ebenfalls einen deutlichen Einfluss, da die methanbildenden Bakterien einen neutralen Bereich benötigen. Für ein optimales Bakterienwachstum sollte das Kohlenstoff- zu Stickstoffverhältnis bei ca. 30:1 liegen. Ein anaerober Abbau ist grundsätzlich bei Temperaturen von 0 bis 75 °C durchführbar. Eine erhöhte Aktivität der je nach Abbauphase beteiligten Mikroorganismen und somit eine höhere Gasproduktion ist in folgenden Temperaturbereichen gegeben: psychrophiler Bereich (ca. 20 °C), mesophiler Bereich (30 bis 40 °C) und thermophiler Bereich (55 bis 65 °C). Im thermophilen Bereich ist die Gasproduktion bei gängigen Verweilzeiten (etwa drei Wochen) am höchsten.

Verfahren

Es existieren unterschiedliche Verfahren zur Durchführung einer anaeroben Abfallbehandlung. Unterschiede bestehen hier in der Beschickung des Fermenters (kontinuierlich / diskontinuierlich), dem eingestellten Feststoffgehalt des zugeführten Substrats (Trockenvergärung > 15 Prozent Feststoffgehalt / Nassvergärung < 8 Prozent / 8 - 15 Prozent semi-nass) sowie der Betriebstemperatur des Fermenters (mesophil / thermophil). Zudem kann eine Abwägung zwischen einer ein-, zwei- oder mehrstufigen Prozessführung erfolgen. In Deutschland herrschen die thermophile, kontinuierliche Trockenvergärung, sowie die mesophile, diskontinuierliche Trockenvergärung vor.

Synonym(e):

Anaerobe Vergärung, Vergärung

Englische Übersetzung(en):

anaerobic waste treatment, anaerobic treatment of waste, anaerobic treatment, anaerobic digestion, anaerobic fermentation, fermentation