Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Vergärung von Restmüll: Zweistufige Vergärung mit integrierter Mikrofiltration und zusätzliche aerobe Stufe

Durch das neue Abfallgesetz des Bundes hat sich das Hausmüllaufkommen in der Bundesrepublik von 50 Mio. (1990) auf 43 Mio. Tonnen (1993) verringert. Diese Menge wird voraussichtlich durch die Umsetzung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes weiter reduziert werden. Hohe Mengen an Restmüll werden aber weiterhin entstehen. Diese gilt es umweltverträglich zu entsorgen.

Üblicherweise wird Restmüll in mechanisch-biologischen Anlagen (MBA) kompostiert. Dieses Verfahren bedarf jedoch ausreichend großer Flächen und längerer Zeit, bis der organische Anteil des Restmülls zersetzt ist. Die bei der Kompostierung entstehenden Produkte, Wärme und Kohlendioxid, sind nicht weiter nutzbar.

Eine nachhaltigere Entsorgungsmöglichkeit für Reststoffe, die einen großen organischen Anteil besitzen, ist die Vergärung. Durch dieses anaerobe Verfahren wird Energie in Form von Biogas gewonnen, während gleichzeitig das Abfallvolumen verringert wird. Untersuchungen am Fraunhofer IGB konzentrieren sich auf die Steigerung des Wirkungsgrades der anaeroben Mineralisierung, so dass die Effektivität der Abfallentsorgung wie auch die Produktgewinnung erhöht wird.

Untersuchung der Vergärbarkeit

Anlage zur Untersuchung der Vergärbarkeit von Restmüll.
Bild 1: Anlage zur Untersuchung der Vergärbarkeit von Restmüll.

Zur Untersuchung der Vergärbarkeit wurde Restmüll von inertem Material befreit. Nach Entfernung großer Partikel durch eine Siebtrommel wurden Scherben, Batterien, Plastikfolien, Knochen etc. aussortiert und zusätzlich in einem Windsichter aufbereitet, der kleinere Störpartikel wie Steinchen und Plastik-schnipsel entfernte. So wurden insgesamt 50 Prozent (w/w) des Ausgangsmaterials abgetrennt. Der so aufbereitete Restmüll bestand zu ca. 50 Prozent aus Trockensubstanz. Der organische Anteil der Trockensubstanz betrug 75 Prozent.

In mehreren Anlagen im Labor- bzw. Technikumsmaßstab wurde die Vergärbarkeit der Restmüllfraktion untersucht, wobei verschiedene Betriebspunkte angefahren wurden. Dabei wurden Raumbelastungen von 1,5 bis
6,0 g Organik /l * d eingestellt. Auf diese Weise wurde eine Reduktion der Organik von bis zu 63 Prozent erreicht.

Im Vergleich mit dem Vergärungsverhalten weiterer organischer Reststoffe wie Biomüll oder Klärschlamm wird deutlich, dass die Abbaurate des organischen Substrats um so höher liegt, je größer der Anteil leicht abbaubarer Substanzen in diesem Substrat ist. Klärschlamm beispielsweise enthält für den mikrobiellen Abbau schwer zugängliche Substanzen und weist somit eine niedrigere Abbaurate auf als Küchenabfälle oder Restmüll.

Zweistufige Vergärung mit integrierter Mikrofiltration

Fließdiagramm des zweistufigen Vergärungsprozesses für Restmüll mit integrierter Mikrofiltration nach der ersten Stufe.
Bild 2: Fließdiagramm des zweistufigen Vergärungsprozesses für Restmüll mit integrierter Mikrofiltration nach der ersten Stufe.

In einer kontinuierlich betriebenen, zweistufigen Anlage (2 x 30 Liter) konnte der Abbaugrad durch Einsatz Mikrofiltrationsstufe noch erhöht werden. In der ersten Stufe, die mit einer Verweilzeit von 15 Tagen betrieben wurde, erfolgte der Abbau leicht abbaubarer Inhaltsstoffe.

Aus der zweiten Stufe, die aufgrund der Mineralisierung nun vergleichsweise gering belastet war, wurde mit einem Mikrofiltrationsmodul Schlammwasser abgezogen. Hierdurch konnte die Konzentration des Substrats bzw. der organischen Trockensubstanz (oTS) sowie die Verweilzeit der schwerer abbaubaren Inhaltsstoffe in der zweiten Stufe erhöht werden. Somit konnte auch die Abbauleistung der zweiten Vergärungsstufe von 16 Prozent auf maximal 50 Prozent (Bild 3) gesteigert werden. So wurde ein Gesamtabbau der organischen Trockensubstanz von Prozent erreicht.

Weitergehende aerobe Behandlung des ausgefaulten Restmülls

Fließdiagramm des Verfahrens zur Reduktion der organischen Trockensubstanz (oTS) von Restmüll bei der erweiterten Behandlung. Das Gesamtverfahren besteht aus zweistufiger Vergärung (gelb) mit Mikrofiltration (MF) , aerober Behandlung mit Pilzen (blau) und Rückführung der aerob aufgeschlossenen Organik in die Vergärung (gelb). Die Mikrofiltration dient der Konzentrierung der jeweils verbleibenden organischen Bestandteile.
Bild 3: Fließdiagramm des Verfahrens zur Reduktion der organischen Trockensubstanz (oTS) von Restmüll bei der erweiterten Behandlung. Das Gesamtverfahren besteht aus zweistufiger Vergärung (gelb) mit Mikrofiltration (MF) , aerober Behandlung mit Pilzen (blau) und Rückführung der aerob aufgeschlossenen Organik in die Vergärung (gelb). Die Mikrofiltration dient der Konzentrierung der jeweils verbleibenden organischen Bestandteile.

Bei der anaeroben Fermentation können komplexe organische Bestandteile wie Lignin oder Lignocellulose nicht oder nur in sehr geringem Maße abgebaut werden. Daher wurde der zweistufigen Vergärung eine aerobe Stufe nachgeschaltet, bei der lignolytische Pilze zum Einsatz kamen. Gute Ergebnisse bezüglich des Ligninabbaus und der oTS-Reduktion wurden mit der Species Chaetomium cellulolyticum erzielt. Die bei der Vergärung von Restmüll anfallenden Gärrückstände wurden auf einen TS-Gehalt von 20 Prozent aufkonzentriert und mit C. cellulolyticum in einem Reaktor mit Wendelrührer fermentiert. Dabei konnte der organische Anteil der sterilisierten Gärrückstände um weitere 24 Prozent reduziert werden, mit einer CO2-Bildung von 1,4 g CO2 pro g oTSabgebaut.

Die mit C. cellulolyticum behandelten Gärrückstände wurden anschließend erneut dem anaeroben Abbau unterzogen. Dabei wurden bei einem Abbaugrad von etwa 30 Prozent Gasausbeuten von durchschnittlich 200 l/kg oTSzugeführt erreicht. Dies belegt eindrucksvoll, dass die Pilzbehandlung einen weiteren Abbau der Organik ermöglicht, wenn die pilzbehandelten Gärrückstände wieder dem anaeroben Prozess zugeführt werden. Gegenüber der zweistufigen Vergärung konnte die oTS-Reduktion durch die erweiterte Behandlung um weitere 50 Prozent auf insgesamt 90 Prozent gesteigert werden
(Bild 3).

Literatur

  • Brigitte Kempter, Walter Trösch (2000): Optimiertes Vergärungsverfahren steigert Umsatz von organischen Abfällen. In: Wasser, Luft, Boden, Zeitschrift für Umwelttechnik, 5/2000.
  • Brigitte Kempter, Walter Trösch (2000): Verbesserter Abbau von kommunalen Klärschlämmen in einer zweistufigen Hochlast-Vergärungsanlage. In: Korrespondenz Abwasser, 9/2000.