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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-89102
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/8910/


Optimierung der mikrobiellen Methanoxidation auf verschiedenen Biofiltermaterialien, zur Reduzierung des klimarelevanten Spurengases Methan, für den Einsatz im Biofilter einer mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlage

Optimization of microbial methane oxidation on different biofilter materials for the reduction of the climate-relevant tracegas methane for the application on a biofilter at a mechanical-biological waste Treatment facility

Wienke, Cindy

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SWD-Schlagwörter: Methan , Methanoxidierende Bakterien , Biofilter , Mechanisch-biologische Abfallbehandlung
Basisklassifikation: 42.30 , 38.63 , 43.69
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.06.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 17.01.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Die Treibhausgas-Emissionen in Deutschland wurden seit dem internationalen Referenzjahr 1990 bis zum Jahr 2013 um rund 297 Mio. t Kohlendioxid-Äquivalente (23,7 %) gesenkt. Die deutlichste Verbesserung trat dabei mit knapp 68 % im Bereich der Abfallwirtschaft auf. Es jedoch auch weiterhin erheblichen Verbesserungsbedarf in diesem Bereich.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Optimierung der mikrobiellen Methanoxidation in Biofiltern an mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen zur Verringerung der anthropogenen Methanemissionen. Da methanotrophe Bakterien sehr spezifische Anforderungen an ihr Siedlungssubstrat stellen, müssen das Filtermaterial und die methanotrophe Bakterienkultur den hohen Anforderungen angepasst werden, um eine Verbesserung des mikrobiellen Methanabbaus in den Biofiltern zu erzielen.
Um eine Beurteilung der Eignung verschiedener Biofiltermaterialien vorzunehmen wurden eine Reihe organischer, naturnaher und technischer Materialien auf ihre grundlegenden physikalischen, chemischen, biologischen sowie ökonomischen und ökologischen Eigenschaften untersucht. Aufgrund der unterschiedlich positiven Eigenschaften der organischen und naturnahen/technischen Materialien wird die Verwendung eines Materialgemisches empfohlen.
Um den Einfluss verschiedener Parameter auf die potentielle Methanoxidationsaktivität der einzelnen Materialien zu untersuchen wurden mittels kleinskaliger Laborversuche, sogenannten Batch-Versuchen, im abgeschlossenen System unter kontrollierten Bedingungen die Einflüsse der Parameter Temperatur und Methankonzentration untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten eine Abnahme der Methanabbauleistung mit steigender Temperatur. Ein Herunterkühlen der Abluft gerade in den Sommermonaten wird daher empfohlen. Im Gegensatz dazu zeigte sich eine Steigerung der Abbauleistungen mit steigender Methankonzentration. Die beiden Materialien Blähton und HDPE-Carrier zeigten sich in diesen Versuchen als am besten für den Einsatz im Biofilter einer mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlage geeignet. Eine regelmäßige Zugabe von Nährstoffen für die Aufrechterhaltung hoher Methanoxidationsaktivitäten scheint aber unumgänglich.
Zur Charakterisierung der aus dem Biofilter der mechanisch-biologischen Abfallbehandlungs-anlage in Wiefels angezogenen Anreicherungskultur wurden mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie Zellen einiger der in der Anreicherungskultur vorhandenen Mikroorganismen abgebildet. Durch die Anordnung der Intracytoplasmatischen Membranen in den Zellen war eine Klassifizierung in Typ I und Typ II Methanotrophe in annähernd gleichen Verhältnissen möglich. Zusätzlich wurde die methanotrophe Anreicherungskultur mittels 16S-rRNA Sequenzierung untersucht. Trotz der stark limitierenden Anreicherungsbedingungen durch die alleinige Zugabe von Methan als Substrat handelt es sich bei der Anreicherungskultur nicht um eine methanotrophe Reinkultur.
Auf Basis der in den Materialstudien und Batch-Versuchen erzielten Ergebnisse, wurde in dynamischen Säulenversuchen der Einfluss des Volumenstroms und der Methankonzentration auf die Abbauleistung bestimmt. Mit einer Abbauleistung von 17-54 % bei einer Methankonzentration zwischen 70 200 ppmv und einem Volumenstrom zwischen 200–430 l h-1 war der Methanabbau wesentlich höher als in der Literatur angegeben (Amlinger et al., 2008, Phong, 2012). Diese Arbeit zeigt daher, dass eine Optimierung der Methanoxidationsleistung in Gegenwart niedriger Methankonzentrationen und hoher Volumenströme unter Laborbedingungen möglich ist.
Um die Erkenntnisse aus den Laborversuchen in die Feldversuche zu integrieren und die Anwendbarkeit unter annähernd realen Bedingungen zu testen wurden die Abbauleistungen über unterschiedlich dimensionierte Biofilteranlagen verglichen. Zur Bestimmung der Abbauleistung wurden in einer 24-stündigen Messkampagne kontinuierlich die Roh- und Reingaskonzentrationen an Methan und Kohlendioxid in diesen Biofilteranlagen ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass durch den Einsatz eines geeigneten Biofiltermaterials und der Adaption einiger Faktoren die Methanoxidationsleitung in Feldversuchen verbessert werden kann.
Den Betreibern von mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen steht mit dem untersuchten Biofiltersystem ein geeignetes Instrument zur Reduzierung von Methanemissionen in Gegenwart von niedrigen Methankonzentrationen und hohen Volumenströmen zur Verfügung. Unter Berücksichtigung der vorliegenden Untersuchungen konnten gezielte Vorgaben abgeleitet werden. Einige Faktoren bleiben jedoch vorerst ungeklärt, andere müssen in Einzelfallbetrachtungen an die jeweiligen Anlagen angepasst werden.
Kurzfassung auf Englisch: The emissions of greenhouse gases in Germany have been reduced by 297 Mio. t carbon dioxide equivalents (23,7 %) until 2013 compared to the international reference year of 1990. The main improvement occurred with nearly 68 % within the waste management sector, but there still is a huge demand for further improvements.
The aim of this study is the optimization of the microbial methane oxidation in biofilters from mechanic-biologic waste treatment facilities in order to reduce anthropogenic methane emissions. Since methanotrophic bacteria make highly specific demands on their growing substrate, the biofilter material and the methanotrophic culture has to be adapted to these demands to enhance the microbial oxidation of methane in biofilters.
To make an estimation about different biofilter materials a set of different organic, inorganic and technical materials were examined for their main physical, chemical, biological as well as economic and ecologic properties. Due to the differently positive properties of organic and inorganic/technical materials the application of a mixed material is strongly recommended.
Small-scale laboratory experiments, referred to as batch-experiments, have been conducted to determine the effect of temperature and methane concentration on the potential methane oxidation activity of the different materials in a closed system under controlled conditions. The results obtained by this study showed a decrease of degradation efficiency with increasing temperature. The controlled cooling of the exhaust air stream, especially in the summer period is therefore recommended. In contrast the increase of methane concentration led to increased methane degradation efficiency. The materials expanded clay and HDPE-carriers appeared to be most suitable for the application to a biofilter at a mechanic-biologic waste treatment facility within these experiments. However, the frequent addition of nutrients seems to be unavoidable to support a constantly high methane oxidation efficiency.
For the characterization of the microorganisms within the enrichment culture, obtained from a material sample of the mechanic-biologic waste treatment facility in Wiefels, pictures of different cells were produced by means of transmission electron microscopy. By identifying the arrangements of the intracytoplasmic membranes a classification into type I and type II methanotrophic bacteria in nearly equal shares was possible. In addition the enrichment culture was analyzed by 16S-rRNA sequencing. Despite the highly limiting enrichment conditions due to the exclusive addition of methane as substrate, the culture is not consisting of methanotrophic bacteria alone.
On basis of the results of the material study and the batch-experiments, the influence of volumetric load and methane concentration were investigated in dynamic column-studies. With an oxidation efficiency of 17-54 % at a methane concentration between 70-200 ppmv and a volumetric load between 200-430 l h-1 the methane reduction in this study was significantly higher as expressed in literature (Amlinger et al., 2008, Phong, 2012). We can therefore conclude that the optimization of methane oxidation in the presence of low methane concentrations and high volumetric loads is possible under laboratory conditions.
To integrate the results of the laboratory experiments into the field experiments and thus testing the adaptability among real conditions, the methane oxidation efficiency of three differently scaled biofilter systems were compared. For the determination of the oxidation efficiencies 24-hour measurements of raw- and cleangas streams were performed on these biofilter systems. The results of this study show an improvement of the methane oxidation efficiency in field experiments due to the application of a suitable biofilter material and the adjustment of view environmental factors.
The investigated biofilter system represents a highly effective instrument for the reduction of anthropogenic methane emissions in presence of low methane concentrations and high volumetric loads for the use at mechanic-biologic waste treatment facilities. Considering the research investigations on hand precise specifications could be derived. These, however, may have to be modified under consideration of the individual facility.


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