Effizienzsteigerung bei der Ethanolherstellung durch Einsatz von Membranverfahren
Effizienzsteigerung bei der Ethanolherstellung durch Einsatz von Membranverfahren in der
Abwasserreinigung
genehmigte Dissertation zur Erlangung des...
Effizienzsteigerung bei der Ethanolherstellung durch Einsatz von Membranverfahren in der
Abwasserreinigung
genehmigte Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der In¬ genieurwissenschaften an der Fakultät Bauingenieurwesen und Geodäsie der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
von
geboren
Axel Borchmann, M.Sc. am
05.10.1976 in
2012
Hamburg
Inhaltsverzeichnis
i
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis
i
Bildverzeichnis
v
Tabellenverzeichnis
x
xiv
Gleichungen Abkürzungen
und Glossar
xvi
1
Einleitung
2
Theoretische Grundlagen
3
2.1
Membranfiltration
3
2.1.1
2.1.2
und
Zielsetzung
Systematik
und Material
2.1.1.1
Aufbau
Membranen
4
2.1.1.2
Organische Membranen
4
2.1.1.3
Anorganische
von
von
Membranen
Membranen
Transportvorgänge 2.1.3.1
Crossflow und dead-end Filtration
2.1.3.2
Deckschichtbildung
5
8 8 9
2.1.3.2.1
Einflussfaktoren auf die Leistung der Membran
11
2.1.3.2.2
Reinigungsarten und-mittel
12
Membranverfahren
2.2.1 Parameter
2.2.2
3
7
2.1.3 Filtrationsarten und Transportwiderstände
2.2
1
zur
13
Verfahrenscharakterisierung
14
2.2.1.1
Transmembrandruck
14
2.2.1.2
Fluss
14
2.2.1.3
Permeabilität
14
2.2.1.4
Überströmungsgeschwindigkeit
15
2.2.1.5
Spezifischer Lufteintrag
16
2.2.1.6
Energiebedarf
17
Betriebskonzepte
18
2.2.2.1
Druckrohrmembranen
18
2.2.2.2
Getauchte Membranen
19
2.2.3 Modulbauformen
19
2.2.3.1
Kapillarmodule
20
2.2.3.2
Plattenmodule
21
2.2.4 Deckschichtkontrolle 2.2.4.1
Oberströmung 2.2.4.1.1
Fluid
22 23
23
II
Inhaltsverzeichnis 2.2.4.1.2 2.2.4.2
Gas
23
Hybridkonzepte 2.2.4.2.1
Rotation
2.2.4.2.2
Abrasion
24 24 25
2.2.5 Einsatz von keramischen Membranen
2.3
2.2.5.1
Rotationsscheibenfilter
2.2.5.2
Getauchte Keramische
2.2.5.3
Einflussparameter auf
Abwassertechnische Verfahren 2.3.1 Aerobe 2.3.2
28 29
Plattenmembranen Membranleistung und Biofouling
34
Stickstoffoxidation
34
Abwasserreinigungsverfahren
2.3.3.1
Kohlenstoffelimination
2.3.3.2
Membrangestütztes Anaerobverfahren
2.3.3.3
Stickstoffelimination
37
40
2.3.3.3.1
Denitrifikation
2.3.3.3.2
Denitritation, Ammoniumoxidation
Ethanol- und
40 und Deammonifikation
43 43
Produktionsprozess 2.4.2.1
Verfahrenstechnik
2.4.2.2
Verfahrensweiterentwicklung
2.4.2.3
2.4.3 Wege der 2.4.3.1 2.4.3.2 2.4.3.3 2.4.3.4
46 47 50
Wilkening-Verfahren
Verwertung von Nebenprodukten Verfütterung Vergärung Verbrennung Düngung
2.4.4 Energieeffizienz der
51
der Produktion
Material und Methoden
3.1
Analytik
53 55 57
58 59 59
3.1.1 Abwasser
59
3.1.2 Schlamm
3.2
3.2.1
3.2.2
60
3.1.2.1
Brennwerte
3.1.2.2
Entwässerbarkeit
Gaszusammensetzung Laboruntersuchungen
60 61
und organische Säuren zu
Umsatzraten und
Respiration 3.2.1.1
Kohlenstoffumsatz
3.2.1.2
Kohlenstofffraktionierung
Gasbildungsrate 3.2.2.1
53 54
Bioethanolproduktion
3
3.1.3
41
42
Bioethanolherstellung
2.4.1 Einsatzstoffe 2.4.2
35 35
2.3.4 Fällung 2.4
32 34
Kohlenstoffelimination
2.3.3 Anoxische und anaerobe
30
Kohlenstoffumsatz
Hemmungen
61 61 62 62 63 64 64
Inhaltsverzeichnis 3.2.2.2 3.2.3
3.3
Iii
Stickstoffumsatz
65
Hemmungen
66
Anlagentechnik
67
3.3.1 Anaerober Membranbioreaktor AMBR
68
3.3.1.1
Funktionsprinzip
68
3.3.1.2
Bauteile und Fließwege
69
3.3.1.3
Mess-/Steuer-/Regeltechnik
71
3.3.2 Aerob/Anaerober Membranbioreaktor
(a)MBR
74
3.3.2.1
Funktionsprinzip
74
3.3.2.2
Bauteile und Rießwege
75
3.3.2.3
Mess-/Steuer-/Regeltechnik
78
3.3.3 Membranmodule
81
3.3.3.1
Pilottechnische Module
81
3.3.3.2
Hohlfasermembranen
81
3.3.3.3
Plattenmembranen
82
3.3.3.4
Großtechnische Module
83
4
Untersuchungen zur Behandlung des Abwassers aus der Ethanolherstellung durch aerobe und anaerobe Verfahren
87
4.1
Abwassercharakteristik
88
4.1.1 Abwasser 4.1.1.1
der Bioethanolherstellung
90
Physikalische Vorbehandlung Abbaubarkeit
4.1.1.2 4.1.2 Abwasser 4.2
aus
aus
90 92
der Ethanolherstellung
93
Anaerobes Membranverfahren zur Kohlenstoffelimination Abwasser aus der Bioethanolherstellung
am
Beispiel
von
94
4.2.1 Biologische Verfahrensparameter 4.2.1.1
4.2.1.2
4.2.1.3
Belastung
und
94
Eliminationsleistung
95
4.2.1.1.1
Kohlenstoff
4.2.1.1.2 4.2.1.1.3
Gasanfall und -qualität Stickstoff
101
4.2.1.1.4
Hemmung
102
97 99
Schlammcharakteristik
105
4.2.1.2.1
Biomasseaktiv'rtät
105
4.2.1.2.2
Partikelgrößenverteilung
107
4.2.1.2.3
Entwässerbarkeit
108
4.2.1.2.4
Schlammproduktion
110
4.2.1.2.5
Brennwertbestimmungen
111
Vergleichbare Untersuchungen mit suspendierter Biomasse
4.2.2 Deckschichtkontrolle durch Biogas-Crossflow
4.2.3 4.3
112
114
4.2.2.1
Filtrationsleistung
114
4.2.2.2
Scaling
118
Zusammenfassung Aerobes Membranverfahren zur Stickstoffelimination Abwasser aus der Ethanolherstellung
119 am
Beispiel
von
121
iv
Inhaltsverzeichnis 4.3.1
Biologische Verfahrensparameter 4.3.1.1 Belastung und Abbauleistung
4.3.3
122
4.3.1.1.1
Anfahrphase
4.3.1.1.2
Sauerstoffkonzentrationen
4.3.1.1.3
Kohlenstoffelimination
4.3.1.1.4
Stickstoffoxidation und -elimination
4.3.1.2 4.3.2
121
122 124
Vergleichbare Untersuchungen mit suspendierter Biomasse Maßnahmen zur Deckschichtkontrolle durch mechanische Abreinigung 4.3.2.1 Minimierung der eingesetzten Belüftungsenergie 4.3.2.2 Umwälzung durch Strömungspumpe 4.3.2.3
