Experimentelle und Simulationsanalyse der Biogasproduktion aus Getränkeabwasserschlamm zur Stromerzeugung

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9107 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie bewertete das Biogas- und Methanproduktionspotenzial von Abwasserschlamm aus der Getränkeindustrie. Die Optimierung des Biogasproduktionspotenzials eines einzelnen anaeroben Fed-Batch-Fermenters wurde bei verschiedenen Temperaturen (25, 35 und 45 °C), pH-Werten (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 und 9,5) und einem organischen Zufuhrverhältnis (1) durchgeführt :3, 1:4, 1:5 und 1:6) mit einer hydraulischen Verweilzeit von 30 Tagen. Die Methan- und Biogasproduktivität von Getränkeabwasserschlamm in Bezug auf flüchtige Feststoffe (VS) und Volumen wurde bestimmt. Die maximale Biogasproduktion (15,4 m3/g VS, 9,3 m3) und der Methangehalt (6,3 m3/g VS, 3,8 m3) wurden in Bezug auf VS und Volumen bei 8,5, 35 °C, 1:3 des optimalen pH-Werts und der optimalen Temperatur erreicht bzw. organisches Beladungsverhältnis. Darüber hinaus wurden der maximale Methangehalt (7,4 m3/g VS, 4,4 m3) und das Biogasproduktionspotenzial (17,9 m3/g VS, 10,8 m3) pro Tag bei Raumtemperatur erreicht. Die Gesamtmenge an Biogas und Methan beträgt bei 35 °C (30 Tage) 44,3 bzw. 10,8 m3/g VS, während sie bei 25 °C (48 Tage) auf 67,3 bzw. 16,1 m3/g VS ansteigt. Darüber hinaus wurde das Stromerzeugungspotenzial von Biogas geschätzt, das bei Raumtemperatur (22,1 kWh nach 24 Tagen) und optimaler Temperatur (18,9 kWh) nach 40 Tagen erzeugt wurde. Das Modell simulierte eine optimale HRT (25 Tage) im Hinblick auf die Biogas- und Methanproduktion bei optimaler Temperatur und stimmte gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Daraus können wir schließen, dass der Abwasserschlamm der Getränkeindustrie ein enormes Potenzial für die Biogasproduktion und Elektrifizierung hat.

Heutzutage werden verschiedene Abfälle nachhaltig zu nützlichen Produkten recycelt, zum Beispiel zu energieeffizienten Ziegeln1, Verpackungen2, landwirtschaftliche Nutzung3 und zu verschiedenen Bioenergiesystemen4,5 wie Bioethanol5,6, Biodiesel7,8, Biogas9 und Brikettproduktion10. Um die nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und Treibhausgasemissionen zu verringern, spielt die Biogasproduktion durch anaerobe Vergärung aus verschiedenen Rohstoffen wie Feldfrüchten, Rückständen und Abfällen (Industrie-, Landwirtschafts- und Siedlungsabfälle) eine Schlüsselrolle11. Die Biogasproduktion aus Industrieschlämmen hat mehrere Vorteile. Neben der nachhaltigen Energieerzeugung aus Biogas bietet es auch den Vorteil, organische Abfälle zu behandeln. Darüber hinaus wird die Entwicklung verbesserter Biogastechniken die Nutzung von Biogas für vielseitige Anwendungen, einschließlich im Koch- und Transportsektor, weiter vorantreiben12. Die anaerobe Vergärung ist eine Abfolge des biologischen Prozesses, bei dem Mikroorganismen organische Stoffe unter Abwesenheit von Sauerstoff in Biogas umwandeln. Biogas besteht aus etwa 60 Prozent Methan (CH4), 40 Prozent Kohlendioxid (CO2) und Spuren anderer Gase, beispielsweise Wasserdampf (H2O) und Schwefelwasserstoff (H2S). Somit kann die anaerobe Vergärung eine wichtige Rolle dabei spielen, alle oben genannten Probleme anzugehen, die unterentwickelte Länder und Entwicklungsländer plagen (z. B. Energie- und Abfallmanagement), und gleichzeitig die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern.

In den früheren Studien von Ngoc und Schnitzler (2009)13 und Goňo et al. (2013)14 berichteten, dass bei der Fermentation erzeugtes Biogas verbrannt werden kann, um während des Produktionsprozesses Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Beleuchtung zu erzeugen. Biogasanlagen mit qualitativ hochwertigem Biogas können als Stromquelle genutzt werden, was für den Umweltschutz und die Entwicklung von großem Nutzen ist. Die Abwässer aus der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sind mit giftigen Metallen kontaminiert, die sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken können und entweder akute oder chronische Krankheiten verursachen15,16. Die Millionen Gallonen Abwasser, die täglich durch Kläranlagen fließen, enthalten Hunderte Tonnen Biofeststoffe. Laut USEPA-Bericht (1979) erzeugen Biofeststoffe durch anaerobe Vergärung Biogas, aus dem 55 bis 70 Prozent Methan und 25 bis 30 Prozent Kohlendioxid erzeugt werden können17. Dennoch stellen die Biogasproduktion aus Biomasseabfällen und ihre Nutzung für Energieanwendungen aufgrund der komplexen physikalischen und chemischen Eigenschaften organischer Abfälle, die sich auf die Stoffwechselwege und den Methangehalt auswirken, immer noch eine Herausforderung dar. Folglich konzentrierte sich die Aufmerksamkeit auf Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung der Biogasausbeute und -qualität18. Daher ist Abwasserschlamm das Hauptforschungsgebiet in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, insbesondere in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Laut Sreekrishnan et al. (2004) berichten, dass Rohstoffe manchmal eine Vorbehandlung erfordern, um die Methanausbeute im anaeroben Vergärungsprozess zu erhöhen16. Durch die Vorbehandlung wird die komplexe organische Struktur in einfachere Moleküle zerlegt, die dann anfälliger für mikrobiellen Abbau sind. Darüber hinaus können die Methanausbeute und der Methangehalt im Biogas durch den Einsatz von Chemikalien (z. B. CaO2) während des Vorbehandlungsprozesses erhöht werden, was einen weiteren Abbau und Abbau des Schlammmaterials ermöglicht19,20.

Der Hauptfaktor bei der Bestimmung des Methanerzeugungspotenzials von Abwasser ist die Menge an abbaubarem organischem Material im Abwasser. Bei ordnungsgemäßer Behandlung des in der Getränkekläranlage anfallenden Schlamms könnte möglicherweise erhebliche Energie in Form von Biogas gewonnen werden, wodurch die Kläranlage möglicherweise zu einem Nettoenergieerzeuger und nicht zu einem Verbraucher wird. Neben der Maximierung der Energieproduktion ermöglichte der anaerobe Fermenter die Minimierung der Gesamtkosten der Abwasseraufbereitungsanlage. Die aus verschiedenen nachhaltigen Rohstoffen erzeugte Biogasenergie kann als Alternative zu fossilen Brennstoffen zur Strom- und Fahrzeugkraftstofferzeugung genutzt werden. Es hat den Vorteil, dass die Treibhausgasemissionen (THG) aus den Prozessen von Kläranlagen verringert werden21. Labutong et al. (2012)22 und Thyo und Wenzel (2007)23 schlugen eine unmittelbare Nutzung des erzeugten Biogases zur KWK-Nutzung vor, ohne es zu Biomethan aufzubereiten. Dennoch verursacht das BHKW direkte Treibhausgasemissionen in die Umwelt und löst entsprechende Auswirkungen in den Kategorien globale Erwärmung, Smogbildung, Versauerung und Eutrophierung aus. Die Emissionswerte können je nach Motortyp beeinflusst werden, beispielsweise weisen Gasmotoren mit Katalysator die niedrigsten Emissionswerte auf. Dagegen erhöht die Ölzündung in Piloteinspritzmotoren die Schadstoffmengen im Abgas24. Im Allgemeinen hat die Stromerzeugung aus Biogas geringere Umweltauswirkungen als die Stromerzeugung aus auf fossilen Brennstoffen basierenden Energiesystemen24,25,26,27. In dieser Studie werden kombinierte experimentelle und rechnerische Ansätze verwendet, um das Biogasproduktions- und Stromerzeugungspotenzial aus Getränkeabwasserschlamm abzuschätzen.

Schwefelsäure (H2SO4), Mangansulfat (MnSO4), alkalisches Azid, Stärkeindikator, 0,02 N Na2S2O3, CSB-Reagenz, entionisiertes Wasser, NaOH, Benzoesäure (C6H5COOH), Methylorange, Natriumcarbonat (Na2CO3), destilliertes Wasser, KHP ( Kaliumhydrogenphthalat, HOOCC6COOK), Kaliumdichromat (K2Cr2O3), Eisenindikator, Quecksilbersulfat, FAS (Eisenammoniumsulfat, Fe(NH4)2.H2O, CSB-Säure, Ammoniumlösung oder Natriumhydroxid und Aktivkohle-Kieselgel. Die Für die Studie wurde Laborausrüstung verwendet: Adiabatisches oder Bob-Kalorimeter, digitale Gewichtswaage, Rührer, Thermometer, Elektrode, Sauerstoffbombe oder Gefäßausrüstung, Sauerstoffschlauch, Widerstand, Kapsel, Baumwollfaden oder Sicherungsdraht, Eimer, Trichter, Messkolben, EA1112 Flash-CHNS/O-Analysator und BSB-Inkubator.

Bei der Nahanalyse handelt es sich um die Bestimmung des Gesamtfeststoffgehalts, der flüchtigen Feststoffe, des Feuchtigkeitsgehalts, des Gehalts an festem Kohlenstoff, Schwefel und Asche. Der trockene Feststoff kann als die Materialmasse definiert werden, die nach einstündigem Erhitzen des Substrats auf 105 °C verbleibt, ausgedrückt als Prozentsatz der Masse des nassen Ausgangsmaterials. Laut Murphy et al. 201528 Der Gehalt an flüchtigen Feststoffen kann definiert werden als die Feststoffmasse, die beim 7-minütigen Zünden bei 950 °C in einem abgedeckten Tiegel verloren geht, ausgedrückt als Prozentsatz des trockenen Feststoffs. Der BSB wurde mit der Standard-HACH-Methode bestimmt. Der CSB wurde mit dem Photometer AL 450 AQUALYTIC mit SN 11/4005 nach der deutschen Standardmessmethode bestimmt. Die Bestimmung des Energieinhalts des Abwasserschlamms erfolgte mit einem Bombenkalorimeter. Phosphat konnte mithilfe der Molybdatsäure-Kolorimetriemethode APHA 4500-PC bestimmt werden.

Bei der endgültigen Analyse wird der Anteil an Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Stickstoff in einer trockenen Feststoffprobe des Substrats ermittelt. Daher wurde für diese Studie die endgültige Analyse unter den Bedingungen einer Gasdurchflussrate von 120 ml/min, einer Referenzdurchflussrate von 100 ml/min, einer Sauerstoffdurchflussrate von 250 ml/min und einer Ofentemperatur von 900 °C durchgeführt °C und Ofentemperatur von 75 °C. Die sechs Kalibrierungspunkte für jede Komponente und Probe wurden in zweifacher Ausfertigung durchgeführt.

Nach unserem Kenntnisstand wurde noch keine Studie zur Produktion von Biogas aus Industrieabfällen von Erfrischungsgetränken veröffentlicht. Dementsprechend hat unsere vorläufige Untersuchung in einem anaeroben Fed-Batch-Fermenter mit einem Verhältnis von Wasser und Abwasserschlamm von 1:1 und einem Gesamtvolumen von 20-l-Wasserbehältern eine höhere Ausbeute an Biogaszusammensetzung (61,11 % CH4) ergeben. Mit dieser Motivation konzentrierte sich diese Studie auf die Charakterisierung der physikalisch-chemischen Analyse von Abwasserschlamm, die Optimierung verschiedener Variablen (Temperatur, pH-Wert, organisches Beladungsverhältnis und hydraulische Verweilzeit) und die Optimierung verschiedener Variablen mit Softwaresimulation für die Biogasproduktion.

Die Erzeugung von Biogas durch anaerobe Vergärung ist wichtig für die Maximierung der Energieproduktion und die Senkung der Gesamtbehandlungskosten in Kläranlagen. Die Verwendung von Biogas als Strom- und Kraftstoffquelle im Gegensatz zu Erdgas hat zahlreiche Vorteile für die Umwelt, darunter einen geringeren CO2-Fußabdruck. Ebenso sollte Biogas für die Kraft-Wärme-Kopplung vor Ort verwendet werden, anstatt zu Biomethan aufzurüsten, um die Treibhausgasminderung zu maximieren. Im Allgemeinen hat aus Biogas erzeugter Strom eine geringere Umweltbelastung als aus fossilen Brennstoffen erzeugter Strom21,22,23,25. Ziel der Studie war es, die Menge an Biogas und Strom abzuschätzen, die aus Getränkeabwasserschlamm erzeugt wird. Der einfachste Weg, Strom aus Biogas zu erzeugen, ist die Verwendung eines Verbrennungsmotors. Die aus Biogas erzeugte Strommenge kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden24,25,26,27,29.

Dabei ist: \({E}_{elect}\) die pro Tonne organischer Rückstände (tres) erzeugte elektrische Energie in KW/tres, \({Q}_{biogas}\) die daraus gewonnene Biogasmenge die organischen Rückstände einer Biogasanlage, in m3, \({F}_{{CH}_{4}}\) ist das im Biogas enthaltene Methan, in Prozent, \({CP}_{{CH}_{ 4}}\) ist die spezifische Wärme von Methan (KWh/m3), \({\eta }_{elect}\) ist der elektrische Wirkungsgrad in Prozent.

Der anaerobe Vergärungsprozess sowie die genaue chemische Zusammensetzung des organischen Abfalls, die je nach Abfallsammelstelle variiert, beeinflusst \({Q}_{Biogas}\) und \({F}_{{CH}_{ 4}}\). Das genaue Verhältnis von CH4 zu CO2 im Biogas wird durch die Art und Konzentration des organischen Inputs bestimmt, der als Ausgangsmaterial für die Mikroorganismen dient, die während der anaeroben und Fermentationsprozesse arbeiten. Die anaerobe Vergärung ist eine etablierte Abfall- und Abwasserbehandlungstechnologie27.

Der hohe Heizwert (Bruttoheizwert oder Bruttoenergiewert) ist definiert als die Wärmemenge, die eine bestimmte Menge nach ihrer Verbrennung freisetzt und die Produkte wieder eine Temperatur von 25 °C erreicht haben. Ein niedriger Heizwert (LHV, Nettoheizwert) ist definiert als die Wärmemenge, die bei der Verbrennung einer bestimmten Menge freigesetzt wird, wenn die Endtemperatur der Verbrennungsprodukte über dem Siedepunkt von Wasser (100 °C) liegt. Das LHV übernimmt die latente Verdampfungswärme des Wassers im Kraftstoff und gewinnt die Reaktionsprodukte nicht zurück. Der hohe Heizwert ist auf die latente Wärme der Wasserverdampfung in den Verbrennungsprodukten zurückzuführen. Im Allgemeinen wurden die beiden Begriffe Heizwert, hoher Heizwert und niedriger Heizwert, zur Beschreibung des Wärmeinhalts verwendet. Der hohe Heizwert und der niedrige Heizwert von Abfällen werden mithilfe der Dulong-Gleichung berechnet, die unten dargestellt ist. Um den LHV eines Brennstoffs aus seinem HHV zu bestimmen oder umgekehrt, müssen die Mol Wasser bestimmt werden, die bei der Verbrennung eines Mols Brennstoff entstehen29.

Dabei sind Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Schwefel der C-, H-, O- und S-Gehalt (Trockenbasis).

Die Verdampfungswärme von Wasser bei 25 °C beträgt;

Nach der von Wong et al. (2011)30 anaerobe Batch-Aufschlusstests zur Optimierung von pH-Wert, organischer Beladungsrate, Temperatur und hydraulischer Verweilzeit wurden dreifach durchgeführt und in einem Wasserbad bei 35 °C inkubiert. Es wurden 30 Tage lang Experimente durchgeführt, um den Beginn der Biogasproduktion zu beschreiben, der zur Bestimmung der optimalen HRT des Biogaspotenzials erforderlich ist. Der Batch-Fermenter ist von innen abgedichtet, um ein Austreten von Biogas zu verhindern, und verfügt über ein vollständig eingesetztes Wasserbad, um die Temperatur aufrechtzuerhalten13. Der Inhalt wurde durch Händeschütteln gerührt. Für diese Studie wurde die Biogasproduktion monatlich mit einer Luftdruckspritze gemessen und die Biogaszusammensetzung mithilfe von Gasanalysegeräten zusammengestellt. Laut Sreekrishnan et al.16 wurden 1 % NaOH und H2SO4 verwendet, um den pH-Wert des Substrats einzustellen. Die Optimierung der Biogasproduktion erfolgt durch das Sammeln von Abwasserschlamm und verschiedenen Laborgeräten. Die folgende Laborausrüstung wurde verwendet: Wasserbad, Reaktorflaschen, Gasregelventil, Kunststoffschlauch, luftgebundene Gasspritze, Gasanalysator und Gassammelbeutel. Der Versuchsaufbau zur Optimierung der Biogasproduktion bei der anaeroben Vergärung im kleinen Maßstab und im Labormaßstab ist in Abb. 1a bzw. b dargestellt.

HYPERLINK "sps:id::fig1||locator::gr1||MediaObject::0" (a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus für die anaerobe Vergärung im kleinen Maßstab. (b) Versuchsaufbau zur Biogasproduktion im Labormaßstab.

In dieser Studie wurde das kinetische Modell einer aeroben Vergärung verwendet, um die Methanmenge aus dem produzierten Biogas abzuschätzen. Im Jahr 1936 entwickelten Buswell und Hatfield die stöchiometrische Formel, die die Vorhersage des Methangehalts aus dem produzierten Biogas im Jahr 1936 ermöglicht31,32. Später im Jahr 1952 modifizierte Boyle die chemische Reaktion von Buswell und Mueller, um den Einschluss von Stickstoff und Schwefel zu ermöglichen, um den Anteil von NH3 und H2S im produzierten Biogas zu erhalten32,33,34,35. Für die Simulationsanalyse der Biogasproduktion aus Abwasserschlamm wurde die MATLAB-Software verwendet. Industrieabfälle sind sehr komplexe Gemische und zur Beschreibung ihrer Zusammensetzung werden unterschiedliche Ansätze verwendet. Die Zusammensetzung der Elemente ist die nützlichste Grundmethode zur Beschreibung der nichtwässrigen Bestandteile des Abwasserschlamms. Das Ziel dieses Modells besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen Einfachheit und effektiver Vorhersage der Biogasproduktion zu schaffen. Der Zweck wird nicht darin gesehen, ein Modell zu erstellen, das alle Faktoren berücksichtigt und die Biogasproduktion mit einem sehr hohen Maß an Präzision vorhersagt. Daher wird diese einfache Modellstudie verwendet, um das theoretische Biogaspotenzial abzuschätzen. Um dieses Modell auf einen bestimmten Rohstoff anzuwenden, müssen wir die chemischen Bestandteile des Rohstoffs kennen. Das Modell berücksichtigte die Annahme, dass das Inputmaterial nur aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel besteht. Die relativen Verhältnisse dieser Elemente können der endgültigen Analyse des Abfalls, der konstanten Temperatur, des konstanten Fermentervolumens, der perfekten Durchmischung, des idealen Bakterienzustands und der Reaktionsprodukte, zu denen nur CH4, CO2, NH3 und H2S gehören, entnommen werden. Es sammelt sich keine Asche an und die Reaktion läuft vollständig ab34.

Der Hauptbestandteil von Biogas besteht aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Schwefel. Die Menge und Qualität des Produkts, das aus etwaigen Abfällen für den Energieumwandlungsprozess gewonnen wird. Die endgültige Analyse des Substrats wurde verwendet, um die stöchiometrische Gleichung basierend auf der Elementzusammensetzung des Abfallmaterials zu bestimmen und die theoretische Methanzusammensetzung unter Berücksichtigung von C, H, O und N36 zu berechnen. Dieser Studie zufolge enthielt der trockene Abwasserschlamm etwa 45,190 Massen-% Kohlenstoff und etwa 42,992 Massen-% Sauerstoff, bezogen auf das Trockengewicht des Abwasserschlamms. Die endgültigen Eigenschaften von Abwasserschlamm sind unten in Tabelle 1 aufgeführt.

Dem vorläufigen Ergebnis zufolge wies der getrocknete Abfallschlamm einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 6,26 % auf. Der verbleibende Massenanteil ist der gesamte im Abwasserschlamm vorhandene Feststoffgehalt. Diese feste Masse enthält größtenteils flüchtige Feststoffe und einen kleinen Anteil mineralischer Bestandteile (Asche). Bei jedem Energieumwandlungsprozess wird nur ein Teil der flüchtigen Feststoffmasse umgewandelt. Die näheren Eigenschaften des Abwasserschlamms sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Laut Fytili und Zabaniotou (2008)37 und Sitorus et al. (2013)38 berichteten über Heizwerte für verschiedene Arten von Klärschlamm im Bereich von 11 bis 25,5 MJ/kg (2627 bis 6000 cal/g). Darüber hinaus haben Oladejo et al. (2019)39 berichtet, dass der Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen in getrocknetem Klärschlamm zwischen 21 und 48 % liegt, weshalb der Energiegehalt zwischen 2600 und 5200 cal/g schwankt. In dieser Studie betrug der Heizwert des Schlamms aus der Getränkeabwasseraufbereitungsanlage etwa 5042,2 cal/g, was gut mit den höheren Heizwerten der oben genannten Literatur übereinstimmt. Gemäß früheren verwandten Arbeiten, die in der Endanalyse durchgeführt wurden, ist die Menge an Kohlenstoffgehalt (W%) direkt proportional zum Heizwert40,41,42. Das heißt, wenn der Schlamm viel Kohlenstoff enthält, enthält er auch viele Kalorien. Unser Substrat hat laut Endanalyse einen hohen Kohlenstoffgehalt (45,19 %). Denn Zucker ist einer der wichtigsten Grundstoffe in der Softdrink-Getränkeindustrie. Daher ist der hohe Kaloriengehalt unseres Substrats höchstwahrscheinlich auf die in der Erfrischungsgetränkeindustrie verwendeten Rohstoffe zurückzuführen. Darüber hinaus betragen das Phosphat-, TS-, CSB- und BSB-Volumen 4,02 mg/l, 27,4 %, 2200 mg/l bzw. 30 mg/l. Die Phosphorkonzentration wurde anhand der externen Kalibrierungskurve mit einem guten Einfärbungsfaktor (R2 = 0,999) bestimmt.

In dieser Untersuchung wurde ein einzelner anaerober Fed-Batch-Fermenter mit einem Gesamtvolumen von 20-l-Wasserkrügen für die Biogasproduktion verwendet. Der Rohstoff besteht zu 50 % aus Abwassersubstrat und zu 50 % aus Wasser. Das Gesamtgewicht der Beladung betrug 20 kg und wurde während der Fütterung manuell gemischt. Es wurde unter Umgebungsbedingungen ohne jegliche Parameterkontrolle betrieben. Der Gassammelbeutel dient zum Sammeln von Biogasen. Die Biogasproduktion wurde durch regelmäßige Anwendung der Wasserverdrängungsmethode und Analyse der Biogaszusammensetzung mit einem Gasanalysator bestimmt. Ausgehend von dieser primären Assay-Experimentstudie wurde die Biogasproduktion nach einer hydraulischen Verweilzeit von 23 Sekunden gestartet. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis der Biogasproduktionsmenge und des Methangehalts dieser Studie.

(a) Biogasproduktion (ml) als Funktion der Tage, (b) Methangehalt (%) als Funktion der Tage, (c) Methangehalt (ml) als Funktion der Tage im Labormaßstab für Vorstudien.

Die pH-Optimierung wurde bei konstanten Substratverhältnissen durchgeführt und die Temperatur wurde für alle Versuchsaufbauten bei 1:4 bzw. 35 °C gehalten. Die Optimierung wurde in einer Dreifachanalyse durchgeführt. Jeder Reaktor hatte ein Fassungsvermögen von 500 ml und enthielt 400 ml Gesamtflüssigkeit, einschließlich Abwasserschlammsubstrat. Die pH-Optimierung wurde in verschiedenen Batch-Reaktoraufbauten wie folgt durchgeführt. In Aufbau A: Reaktoren 1, 2 und 3 wurden bei pH 5,5 betrieben. In Aufbau B: Reaktoren 4, 5 und 6 wurden bei pH 6,5 betrieben. In Setup C: Reaktoren 7, 8 und 9 wurden auf pH 7,5 eingestellt, in Setup D: Reaktoren 10, 11 und 12 wurden auf pH 8,5 eingestellt und im letzten Setup E: Reaktoren 13, 14 und 15 wurden auf pH 8,5 eingestellt pH-Wert 9,5. Verschiedene Forscher haben den pH-Bereich für eine geeignete anaerobe Abwasserschlammfaulung angegeben. Der optimale pH-Wert für industrielle organische Abfälle wurde zwischen 6,5 und 7,543 erreicht. Den bisherigen Berichten von Rosenberg und Kornelius (2017)44 zufolge lag der optimale pH-Wert für die Biogasproduktion zwischen 6,7 und 7,5. Die von Ngoc und Schnitzer (2009)13 veröffentlichte Studie ergab außerdem, dass der optimale pH-Wert der anaeroben Vergärung für die Biogasproduktion zwischen 6,0 und 8,0 liegt. In dieser Studie wurde die maximale Biogas- und Methanausbeute bei einem anfänglichen pH-Wert von 8,5 erreicht und die Gasproduktion endete bei pH 7,3 und einer Reaktortemperatur von 33 °C. Darüber hinaus sind die maximale Biogasausbeute (1404,3 ml) und der Methangehalt (654,4 ml) in Abb. 3 dargestellt, die den starken Rückgang des Methangehalts nach pH 8,5 zeigt.

(a) Biogasproduktion (ml) als Funktion des pH-Werts, (b) Methangehalt (%) als Funktion des pH-Werts, (c) Methangehalt (ml) als Funktion des pH-Werts.

Die Optimierung des organischen Beladungsverhältnisses wurde bei einem konstanten pH-Wert (8,5) und einer konstanten Temperatur (35 °C) des Substrats bei allen Versuchsaufbauten durchgeführt. Jeder Reaktor hatte ein Fassungsvermögen von 500 ml und enthielt 400 ml Gesamtflüssigkeit einschließlich Abwasserschlammsubstrat. Die Substratverhältnisse zu Wasser in verschiedenen Batch-Reaktoraufbauten wurden wie folgt ermittelt. In Aufbau A: Reaktoren 1, 2 und 3 wurden im Verhältnis des Substrats von 1:3 betrieben. In Aufbau B: Reaktoren 4, 5 und 6 wurden mit einem Substratverhältnis von 1:5 betrieben. In Aufbau C: Reaktoren 7, 8 und 9 wurden mit einem Substratverhältnis von 1:6 betrieben. Zur Optimierung der organischen Beladung wurden für jede in dieser Studie berücksichtigte organische Beladung dreifache Messungen mit drei Reaktoren durchgeführt. Abbildung 4 zeigt das optimale Ergebnis der Biogasproduktion und des Methanertrags, gemessen im Verhältnis 1:3. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Arbeit von Syaichurrozi und Sumardiono (2013)45.

(a) Biogasproduktion (ml) als Funktion des organischen Beladungsverhältnisses, (b) Methangehalt (%) als Funktion des organischen Beladungsverhältnisses und (c) Methangehalt (ml) als Funktion des organischen Beladungsverhältnisses.

Die Temperaturoptimierung wurde bei einem konstanten Beladungsverhältnis durchgeführt, der pH-Wert des Ausgangsmaterials wurde bei allen Versuchsaufbauten bei 1:3 bzw. 8,5 gehalten. Die Reaktoren wurden in den Wasserbädern bei unterschiedlichen Temperaturen geschützt. Der Versuchsaufbau wurde bei verschiedenen Temperaturen verwendet: Wasserbad A: 25 °C, Wasserbad B: 35 °C und Wasserbad C: 45 °C. Für jede Temperatur wurden die Experimente dreifach durchgeführt. Darüber hinaus sind in Abb. 5 die maximalen Ausbeuten des Methangasgehalts und des Biogasproduktionsvolumens bei Wasserbadtemperatur (35 °C) und Reaktortemperatur (32 °C) dargestellt. Dieses Ergebnis stimmt gut mit dem in der Literatur angegebenen Wert überein folgende Arbeiten46,47,48,49.

(a) Biogasproduktion (ml) als Funktion der Temperatur, (b) Methangehalt (%) als Funktion der Temperatur und (c) Methangehalt (ml) als Funktion der Temperatur.

Die optimale hydraulische Verweilzeit wurde bei optimaler Temperatur, optimalem pH-Wert und Beladungsverhältnis des Ausgangsmaterials optimiert. Die optimale Temperatur, der pH-Wert und das Beladungsverhältnis des Ausgangsmaterials betrugen für alle Versuchsaufbauten 35 °C, 8,5 bzw. 1:3. Ähnlich wie in früheren Berichten wurden die HRT-Werte regelmäßig über 30 Tage in Abständen von sieben Tagen gemessen. Laut Rosenberg und Kornelius44, Bouallagui et al.50 sowie Ngoc und Schnitzer13 wurde die effektive AD von organischem Material unter mesophilen Bedingungen nach 20, 25 und 28–35 Tagen erreicht. Darüber hinaus berichteten Atelge et al.51 über den optimalen HRT-Bereich von jeweils 20–30 Tagen. Ebenso stimmen in unserer Studie die maximalen Biogas- und Methangehalte nach 24 Tagen (Abb. 6) gut mit den oben genannten Literaturwerten überein.

(a) Optimale Biogasproduktion (ml) als Funktion der hydraulischen Verweilzeit, (b) optimaler Methangehalt (%) als Funktion der hydraulischen Verweilzeit, (c) Methangehalt (ml) als Funktion der hydraulischen Verweilzeit bei 35 °C.

Die optimale hydraulische Verweilzeit wurde in der psychrophilen Bakterientemperaturzone (25 °C) optimiert und bei optimalem pH-Wert und organischer Beladung betrug das Verhältnis 8,5 bzw. 1:3. Für die Biogasproduktion war beim Vergleich der HRT zwischen mesophilen und psychrophilen Bakterientemperaturzonen die optimale HRT der psychrophilen Temperaturzone länger als die der mesophilen Temperaturzone. Alle Experimente wurden dreifach durchgeführt. Das maximale Biogasvolumen und der Methangehalt werden bei einer optimalen HRT von 45 Tagen bei einer Temperatur von 25 °C gemessen. Die Ergebnisse des maximalen Biogasvolumens und Methangehalts bei optimaler HRT sind in Abb. 7 dargestellt.

Laut Davis et al. (2016)29 die Beziehung zur spezifischen Wärme von Methan (auch bekannt als Nettoheizwert oder unterer Heizwert) beziffert Cp(CH4) auf 10 kWh/m3, während das schwedische Gaszentrum52 Cp(CH4) auf 9,97 kWh/m3 beziffert m3. In dieser Studie wurde Cp (CH4) = 10 kWh/m3 verwendet. Darüber hinaus hängt der elektrische Wirkungsgrad (ηelec) von der verwendeten Technologie ab. Der Wirkungsgrad schwankt zwischen 25 und 31 Prozent, bei bestimmten Technologien sind jedoch auch bis zu 43 Prozent möglich. Laut dem oben erwähnten Artikel liegen die Werte zwischen 25 und 40 %, wobei die meisten vorgestellten Technologien jedoch einen Mindestwirkungsgrad von 30 % aufweisen. Daher wird für diese Studie ein Wert von ηelec = 30 % als angemessen erachtet. Zur Optimierung der Biogasproduktion betrug die maximale geschätzte Stromenergie 18,9 kWh nach 24 Tagen, während bei Raumtemperatur der Biogasproduktion die maximale geschätzte Stromenergie nach 40 Tagen 22,1 kWh betrug. Ebenso steigt der Methangehalt bei der Wasserverdrängungsmethode auf bis zu 61,6 %. Basierend auf diesem Ergebnis wurde das Stromerzeugungspotenzial aus der Biogasproduktion in Weihrauch dargestellt und der Schätzwert betrug 33,1 kWh nach 48 Tagen. Allerdings betrug die Schätzung des gesamten Stromenergiepotenzials aus der Biogasproduktion bei Optimierung und Raumtemperatur 54,5 kWh/Monat bzw. 83 kWh/48 Tage.

Vor der Optimierung des optimalen HRT-Werts der Biogasproduktion wurde der optimale HRT-Wert mithilfe eines Computerzirkulationsprogramms eines Optimierungsmodells simuliert. Die Parameter in diesem Modell waren die gleichen wie die oben genannten Versuchsparameter. Es wurde beobachtet, dass der optimale HRT-Wert für die Biogasproduktion bei verschiedenen Temperaturzonen angegeben wurde, nämlich bei psychrophilen (25 °C), mesophilen (35 °C) und thermophilen (45 °C). In der Modellsimulation wurde eine optimale HRT der Biogasproduktion vorhergesagt, bevor Temperatur und HRT experimentell optimiert wurden. Die Auswirkungen von Temperatur und HRT auf die Biogasproduktion werden in der Modellsimulation der Biogasproduktion vorhergesagt. Im Allgemeinen ist in Bezug auf Temperatur und HRT für die Modellsimulation der Biogasproduktion die Temperatur von 35 °C die optimale Temperatur und nicht 25 und 45 °C. Daher stimmt die optimale Temperatur der Biogasproduktion in der Modellsimulation gut mit dem experimentellen Ergebnis überein. Der Vergleich zwischen Modellsimulation und experimenteller Biogasproduktion bei einer Temperatur von 45 °C war jedoch nicht möglich. Für diese Forschung kann bei einer Temperatur von 45 °C kein Biogas erzeugt werden. Abbildung 8 zeigt die Ergebnisse der Biogasproduktion im kinetischen Modell bei verschiedenen Temperaturen.

Simulationsergebnisse der Biogasproduktion als Funktion der Verweilzeit (Tage) bei verschiedenen Temperaturen von (a) 45 °C, (b) 35 °C und (c) 25 °C.

Die Experimente wurden bei verschiedenen Temperaturen, HRT, pH-Werten und Konzentrationen organischer Beladung durchgeführt, um die optimalen Parameter der Biogasproduktion zu bestimmen. Die optimale HRT für die Modellsimulation der Biogasproduktionsergebnisse bei einer Temperatur von 25 °C wird 30 Tage lang angezeigt, bei dieser Temperatur werden die experimentellen Biogasproduktionsergebnisse jedoch 40 Tage lang angezeigt. Dieser Vergleich zwischen Modellsimulation und experimenteller Biogasproduktion ergibt bei einer Temperatur von 25 °C, dass die Modellsimulation der Biogasproduktion um 10 Tage HRT geringer ist. Die optimale HRT zwischen Modellsimulation und experimenteller Methangasproduktion beträgt 40 Tage. Dieses Ergebnis zeigt eine ähnlich optimale HRT zwischen Simulation und experimenteller Methangasproduktion, und der Vergleich zwischen den Experimenten und der Modellsimulation der Methangasproduktion stimmt gut überein. Darüber hinaus ist in Abb. 9 der Vergleich zwischen experimentellen und modellbasierten Biogas- und Methanproduktionsergebnissen bei einer Temperatur von 25 °C dargestellt.

(a) Biogasproduktion (m3) als Funktion der Zeit (Tage), Simulation und Versuchsergebnisse, (b) Methangasproduktion (m3) als Funktion der Zeit (Tage), Simulation und Versuchsergebnisse bei 25 °C.

In der Modellsimulation der Biogas- und Methangasproduktion bei einer Temperatur von 35 °C beträgt die optimale HRT 25 Tage. Die experimentelle Biogas- und Methangasproduktion bei einer Temperatur von 35 °C, der optimalen HRT, wird für 24 Tage gezeigt. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Vergleich zwischen der Modellsimulation von Biogas und der Methangasproduktion annähernd ähnlich ist. Darüber hinaus ist in Abb. 10 der Vergleich zwischen experimentellen und modellbasierten Biogas- und Methanproduktionsergebnissen bei Temperaturen von 35 °C dargestellt.

(a) Biogasproduktion (m3) als Funktion der Zeit (Tage), Simulation und Versuchsergebnisse, (b) Methangasproduktion (m3) als Funktion der Zeit (Tage), Simulation und Versuchsergebnisse bei 35 °C.

In dieser Arbeit wurde die Stromerzeugung aus dem aus Getränkeabwasserschlamm erzeugten Biogas unter optimalen Versuchsbedingungen (d. h. Temperatur, Beladungsverhältnis und pH-Wert von 35, 1:3 bzw. 8,5) quantitativ dargestellt. Die experimentellen Ergebnisse wurden zur Validierung mit den Modellsimulationsergebnissen verglichen. Der maximale Methangehalt des Biogases in Bezug auf VS und Volumen beträgt 6,3 m3/g VS bzw. 3,8 m3 nach 24 Tagen. Das Biogasproduktionspotenzial in Bezug auf VS und Volumen beträgt 15,4 m3/g VS bzw. 9,3 m3 Biogasvolumen nach 24 Tagen. Selbst bei Raumtemperatur (25 °C) wurde ein nennenswerter Methangehalt erzeugt, der maximale Methangehalt des Biogases in Bezug auf VS und Volumen beträgt 7,4 m3/g VS bzw. 4,4 m3 CH4 nach 40 Tagen. Darüber hinaus beträgt das Biogasproduktionspotenzial bei Raumtemperatur in Bezug auf VS und Volumen 17,9 m3/g VS bzw. 10,8 m3 Biogasvolumen nach 40 Tagen. Die Vorhersage der optimalen Temperatur und HRT zwischen der Modellsimulation und der experimentellen Biogasproduktion stimmt gut überein. Die Schätzung des Strompotenzials und der Biogasproduktion bei Raumtemperatur beträgt 22,1 kWh bzw. 18,9 kWh nach 40 bzw. 24 Tagen. Außerdem wurde festgestellt, dass das gesamte Stromerzeugungspotenzial 83,0 kWh pro 48 Tage bzw. 54,5 kWh pro Monat beträgt. Darüber hinaus wurde durch den Einsatz der Wasserverdrängungsmethode der Methangehalt des erzeugten Biogases auf 61,6 % erhöht, wodurch sich das Stromerzeugungspotenzial nach 48 Tagen auf 33,1 kWh erhöhte. Im Allgemeinen zeigten die Ergebnisse dieser Studie, dass der Getränkeabwasserschlamm ein vielversprechender Rohstoff für die Stromerzeugung aus der Biogasproduktion durch anaerobe Vergärung und die Verbesserung des Methangehalts sein könnte. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen und stellt kosteneffiziente und nachhaltige Energie für den internen Verbrauch der Branche und die umliegende Gemeinschaft bereit.

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Die Autoren danken der Universität Addis Abeba für das thematische Forschungsprojekt (Grant No. TR/036/2020) für die Laboreinrichtung und der East Africa Bottling Share Company für die Bereitstellung von Abwasserschlamm.

Zentrum für Umweltwissenschaften, College of Natural and Computational Sciences, Universität Addis Abeba, Postfach 1176, Addis Abeba, Äthiopien

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School of Mechanical and Industrial Engineering, Universität Addis Abeba, Postfach 1176, Addis Abeba, Äthiopien

Wondwossen Bogale

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AA, WB und YSM haben den Haupttext des Manuskripts verfasst und alle Tabellen und Abbildungen vorbereitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Wondwossen Bogale oder Yedilfana Setarge Mekonnen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Admasu, A., Bogale, W. & Mekonnen, YS Experimentelle und Simulationsanalyse der Biogasproduktion aus Getränkeabwasserschlamm zur Stromerzeugung. Sci Rep 12, 9107 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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Eingegangen: 27. Dezember 2021

Angenommen: 05. Mai 2022

Veröffentlicht: 01. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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