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Modellierung mehrstufiger anaerober Prozesse mit dem Anaerobic Digestion Modell No. 1 (ADM1)

Leitung:PD Dr.-Ing. habil. Dirk Weichgrebe
Bearbeitung:Graham Cuff, M.Sc.
Laufzeit:03/2015 – 05/2016
Förderung durch:DFG

 

Die Anwendung der Anaerobtechnik in der Industrieabwasserbehandlung hat etwa seit Anfang der 1980er Jahre stetig an Bedeutung gewonnen. Obwohl der anaerobe Umsatz organischer Stoffe zu Methan häufig eigenständig abläuft, handelt es sich insgesamt um einen vergleichsweise komplexen Prozess, der sehr sensitiv auf Schwankungen reagiert. Für die mathematische Beschreibung anaerober Prozesse wurde von der IWA das Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) veröffentlicht [Batstone et al. 2002]. Das Model wurde entwickelt, um grundsätzlich alle wesentlichen Anaerobprozesse abbilden zu können. Die große Anzahl an Modellfraktionen und die damit verbundene aufwendige Charakterisierung des Substrats ist ein häufiger Kritikpunkt des ADM1.

Am Ende März 2013 wurde im abgeschlossenen Projekt „Modellierung mehrstufiger anaerober Prozesse mit dem Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1)“ (RO 1221/16-1) das ADM1 erfolgreich um die Milchsäurefermentation erweitert und an den Daten von Laborversuchen kalibriert und validiert. Zum Abschluss des 2. Jahres konnte das Modell zu Untersuchung und Optimierung des anaeroben Abbaus von kohlenhydratreichen Abwässern und Substraten genutzt werden. Sowohl die Abbaukinetik von Einzelstoffen als auch hemmende Randbedingungen wurden im Rahmen des Vorhabens gezielt untersucht und quantifiziert.

Basierend auf den Ergebnissen der ersten beiden Projektjahre soll im 3. Bearbeitungsjahr das ADM1 weiter für die Abbildung anaerober Industrieabwasserbehandlungsprozesse optimiert werden. Hierzu sind zusätzliche grundlagenorientierte Untersuchungen der Prozesskinetik im Hinblick auf die pH-Wert- und Produkt-Hemmung geplant, deren Ergebnisse zur Modellanpassung genutzt werden.

Im ersten Projektteil werden mesophile Laborversuche zur Bestimmung von Umsatzraten in batch Ansätzen durchgeführt werden für eine getrennte Betrachtung von pH-Werten und Dissoziationsgraden, die letztlich eine Säurehemmung hervorrufen könnten, in einzelnen Versuchen auch mit Einstellung des pH-Wertes mit Mineralsäuren. Im zweiten Teil werden dann eine Modellerweiterung und Optimierung mit den Daten aus den Laborversuchen erfolgen. In einem esten Modellentwurf werden Reaktions-Enthalpien (Gibbs freie Energien) an Hand der eingegebenen Versuchsparameter in das Modell übertragen und es wird so abgeschätzt in welche Richtung Reaktionen unter welchen Bedienungen ablaufen können.

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