Entwicklung eines Verfahrens zur biologischen Trennung von Biogas aus der anaeroben Klärschlammbe­handlung und aus nachwachsenden Rohstoffen am Beispiel von Algen und Methan - Teil 2

Einführung

Ziel des gemeinsam vom Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft der TU Dresden und der MAL GmbH durchgeführten Verbundvorhabens: „Labor- und halbtechnische Untersuchungen zur Entwicklung eines Algenreaktors für die Anreicherung von Methan in Biogasen aus der anaeroben Klärschlammfaulung, Teil II“ war, auf Basis labortechnischer Untersuchungen nachzuweisen, dass eine biochemische Trennung von Methan und Kohlendioxid aus Biogasen der Klärschlammfaulung durch Algen möglich ist. Grundidee des Verfahrens ist es, mit Hilfe von Algen den im Biogas enthaltenen Kohlendioxidvolumenanteil durch photosynthetische Reaktionen in Biomasse (Algen) und Sauerstoff umzuwandeln und somit den Methananteil im Biogas zu erhöhen. Während chemisch-physikalische Verfahren wie die Druckwäsche und die MEA-Wäsche auf deutschen Kläranlagen zur Klärgasaufbereitung bereits großtechnisch eingesetzt worden sind, befinden sich biochemische Verfahren zur Trennung von Faulgas bisher in der Entwicklungsphase.

Mit der Entwicklung eines Verfahrens zur biochemischen Kohlendioxidabreicherung aus Faulgas werden grundsätzlich drei Ziele verfolgt. Im Vordergrund steht die Erzeugung eines hochwertigen Brenngases, das zur Einspeisung in das öffentliche Gasversorgungsnetz geeignet ist. Einen weiteren wesentlichen Aspekt bildet die Untersuchung des bei der Faulung von Algen bestehenden Biogaspotentials zur Nutzung als regenerative Energiequelle. Außerdem wird geprüft, inwieweit das Verfahren durch den biochemischen Kohlendioxidrückhalt einen Beitrag zum Umweltschutz leisten kann.

Das primäre Ziel des Forschungsvorhabens liegt in der Steigerung des Nutzungsgrades von bei der Abwasser- oder Abfallbehandlung anfallenden Biogasen. Durch die biochemische Trennung von Kohlendioxid und Methan wird der Brennwert angehoben. Neben der größeren volumenbezogenen Energieausbeute kommt der Vorteil der Einsetzbarkeit in erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW) zum Tragen. Diese zeichnen sich durch längere Standzeiten und eine höhere Einsatzsicherheit aus. Darüber hinaus ist es auf dieser Grundlage möglich, Biogas in öffentliche Netze einzuspeisen.

Die für die Einspeisung in öffentliche Gasversorgungsnetze erforderliche Qualität wird durch das DVGW-Arbeitsblatt-G-260 Gasbeschaffenheit definiert. Methanreiche Gase  werden in die Gruppen L und H unterteilt. Als Ziel wird die Aufbereitung in Erdgas-L-Qualität vorgegeben. Der erforderliche Methananteil wird mit 91 Vol. % festgelegt, um bei schwankender Reinigungsleistung die Erdgas-L-Qualität zu gewährleisten. Rechnerisch ist die Aufbereitung auf 87 Vol.-% Methan ausreichend.

Biochemische Verfahren zur Kohlendioxidabreicherung haben gegenüber physikalischen oder chemischen Verfahren den Vorteil, dass Kohlendioxid nicht nur gebunden, sondern infolge von Stoffwechselprozessen in Biomasse umgewandelt wird, die einer Verwertung zugeführt werden kann. Bei der kommerziellen Algenzucht steht neben der Extraktion und Weiterverarbeitung von Inhaltsstoffen (z. B. Polysacchariden, Proteinen), die stoffliche Nutzung der Algen u. a. als Viehfutter, Düngemittel oder Futtermittel in Aquakulturen sowie die Verwertung in Lebensmitteln oder Medikamenten im Vordergrund [Pulz et al., 2001]. Der bei der Faulgasaufbereitung erzielte Biomassezuwachs kann theoretisch einer stofflichen Verwertung zugeführt werden. Allerdings bestehen bei auf Kläranlagen anfallenden (Ab-) Produkten Akzeptanzprobleme, die eine Nachnutzung erschweren. Die Verwertung in Nahrungsmitteln u. Ä. steht außer Frage, da zum einen die Bedingungen, die an die Produktion von Lebensmitteln gestellt werden, auf Kläranlagen nicht gegeben sind, zum anderen die Gefahr besteht, dass sich im Faulgas enthaltene Spurenstoffe in Algen anreichern.

Eine stoffliche Verwertung der Algen wird ausgeschlossen, stattdessen deren energetische Nutzung als regenerative Energiequelle favorisiert. Der aus der Bindung des Kohlendioxids resultierende Biomassezuwachs wird gemeinsam mit Klärschlamm zur Biogasgewinnung eingesetzt. Der Energiegewinn ist von der Zusammensetzung der Algen (Fettanteil) abhängig und davon, wie hoch der Energieverlust durch die Umwandlung der bei der Photosynthese aufgebauten Glucose in Biomasse ist. Für die Transformation von Glucose in Biomasse werden rd. 70 % der Energie verbraucht, die in Glucose enthalten ist [Uhlmann, 1975]. Als Nebenprodukte dieses Stoffwechselprozesses fallen Kohlendioxid und Wasser an. Sinnvoll erscheint es, die Algen rasch der Faulung zuzuführen.

Im ersten Schritt der Gasaufbereitung findet die Auswaschung des Kohlendioxids aus dem Faulgas statt. Das kohlendioxidreiche Waschwasser wird anschließend in einem Photobioreaktor durch Mikroalgen der Gattung Chlorella biochemisch regeneriert. Die von den Algen produzierte Biomasse wird zur Erzeugung von Biogas genutzt.

Zusammenfassung

Die biochemische Reinigung von Biogas mit Algen ist an sich keine neue Entwicklung und in der Vergangenheit Thema verschiedener Forschungsvorhaben gewesen. Bei den in der Literatur dokumentierten Projekten handelt es sich allerdings sind zum einen um offene Systeme, zum anderen um patentierte geschlossene Systeme, über deren Realisierung in der ausgewerteten Literatur keine Daten vorliegen. Bei den meisten Projekten steht die Züchtung von Algen für eine stoffliche Verwertung im Vordergrund; die Aufbereitung des Faulgases tritt als positiver Nebeneffekt ein. Ein dem hier vorgestellten, ähnliches Projekt wird von der Fa. Schmack Biogas AG in Zusammenarbeit mit der rent a scientist GmbH bearbeitet; das Ziel besteht in der Aufbereitung von landwirtschaftlich erzeugten Biogasen.

Das von der TU Dresden in Kooperation mit der Fa. MAL GmbH untersuchte Verfahren besteht aus einer physikalischen und einer biochemischen Komponente. Im ersten Schritt der Aufbereitung findet die Auswaschung des Kohlendioxids aus dem Faulgas statt. Das kohlendioxidreiche Waschwasser wird anschließend durch Mikroalgen der Art Chlorella vulgaris (Stamm Moskau C1) in einem Photobioreaktor biochemisch regeneriert. Die von den Algen produzierte Biomasse wird zur Erzeugung von Biogas genutzt.

Im Mittelpunkt der Versuche stand die Erzeugung eines hochwertigen Brenngases, das zur Einspeisung in das öffentliche Gasversorgungsnetz geeignet ist. Die Anforderungen an das gereinigte Gas sind im DVGW-Arbeitsblatt-G 260 niedergelegt. Als Aufbereitungsziel wurde die Erdgas-L-Qualität definiert. Einen weiteren wesentlichen Aspekt bildete die Untersuchung des bei der Faulung von Algen bestehenden Biogaspotentials zur Nutzung als Algen als regenerative Energiequelle. Außerdem wurde geprüft, inwieweit das Verfahren durch den biochemischen Kohlendioxidrückhalt einen Beitrag zum Umweltschutz leisten kann. Weitere Betrachtungen betreffen die Übertragung der Ergebnisse der kleintechnischen Versuche auf die Größenverhältnisse einer Kläranlage mit 100.000 EW sowie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

Die Versuche zur Kohlendioxidabreicherung wurden an einer Anlage in zwei Versuchsreihen durchgeführt. Die Bestimmung des Biogaspotentials der Algen erfolgte parallel zur Faulung von Klärschlamm und einem Gemisch aus Algen und Klärschlamm im Verhältnis 1:1. Zudem wurden Untersuchungen hinsichtlich der Kultivierungsbedingungen der Algen durchgeführt.

Die mittlere Wachstumsrate der Algen wurde unter kontinuierlicher Beleuchtung bei Temperaturen von 25 °C mit 0,19 d^-1 ermittelt, die maximale Wachstumsrate erreichte 2,1 d^-1. Der Gasumsatz in Versuchsanlage 1 lag bei 2,12 l/(g TS_Alge*d). Während der Untersuchungen stellte sich heraus, dass in Versuchsanlage 1 stickstofflimitierte Bedingungen herrschten. Eine Optimierung der Verhältnisse kann durch die Substitution des in der Nährlösung enthaltenen Nitrates durch Ammonium erfolgen, da die Aufnahme von Nitrat im Gegensatz zu Ammonium nur unter Energieverbrauch verläuft. Die Standardnährlösung wurde während der Versuche an Anlage 2 gegen Kuhl’sche Nährlösung ausgetauscht. Der Biomassezuwachs zeigte mit einer mittleren Wachstumsrate von µ = 0,2 d^-1 keine Änderungen. Ein ähnliches Ergebnis erbrachte die Verstärkung der Beleuchtung oder die Verdoppelung des Gaseintrags.

Im Versuchszeitraum konnte nachgewiesen werden, dass eine erfolgreiche Kohlendioxideliminierung aus dem Faulgas möglich ist, dass aber die Anforderungen nach DVGW-G-260 nicht erfüllt werden können. Die Gründe dafür sind einerseits konstruktionsbedingt, andererseits der Beschaffenheit des erzeugten Faulgases geschuldet. Während der Photosynthese entsteht ein dem assimilierten Kohlendioxid entsprechender äquivalenter Anteil Sauerstoff, der aufgrund der Bauweise der Anlage an der gleichen Stelle aus der Algensuspension ausgast, in der die Lösung des Kohlendioxids aus dem unbehandelten Faulgas erfolgt. Das Resultat dieser Konstruktion besteht darin, dass der Kohlendioxidanteil im unbehandeltem Faulgas etwa dem Sauerstoffanteil in behandelten Faulgas entspricht. Methan und Sauerstoff sind in der Lage explosionsfähige Gemische zu bilden, in diesem Fall wird infolge des hohen Sauerstoffgehalts die obere Explosionsgrenze überschritten. Dieses Problem wird relevant, wenn die Konstruktion der Anlage dahingehend verändert wird, dass Faulgaswäsche und Ausgasung des Sauerstoffs in separaten Behältern erfolgt. Aufgrund der sich einstellenden verschiedenen Partialdrücke über den Lösungen herrschen in beiden Behältern unterschiedliche Lösungsverhältnisse, die Bildung explosionsfähiger Gemische ist dann nicht ausgeschlossen.

Im Ergebnis der Aufbereitungsversuche lässt sich festhalten, dass der Methangehalt von be- und unbehandeltem Gas i. M. bei etwa 60 % lag, dass demzufolge keine Methananreicherung erfolgte. Der Kohlendioxidgehalt sank infolge der Lösung und Assimilation durch die Algen um i. M. 75…80 %. Der Kohlendioxidgehalt ist für das Erreichen der Erdgas-L-Qualität hinreichend niedrig. Allerdings sind neben Kohlendioxid Sauerstoff und Stickstoff im gereinigten Gas enthalten. Der Sauerstoffgehalt stieg von i. M. 1…1,7 % auf etwa 25…27 % im Reingas, der Stickstoffgehalt blieb relativ stabil in Abhängigkeit der Faulgasbeschaffenheit. Aufgrund dieser Zusammensetzung ist keine Verbesserung der Brennstoffeigenschaften zu erwarten. Der Brennwert bleibt mit etwa 24 MJ/m³ nahezu unverändert. Der untere Wobbe-Index wurde geringfügig angehoben, die relative Dichte näherte sich leicht dem nach DVGW-G-260 erforderlichen Kennwert an. Die Verbesserung in Bezug auf Wobbe-Index und relative Dichte wird durch die Änderung der Anteile von Sauerstoff und Kohlendioxid hervorgerufen und, damit verbunden, durch die Veränderung der molaren Masse des Gasgemischs.

Die Zusammensetzung des bei der anaeroben Stabilisierung von Algen entstehenden Biogases ist mit dem sich bei der Klärschlammfaulung bildenden Faulgas vergleichbar. Der oTS-Abbau der Algen erreicht nach 14 d Faulzeit etwa 40 % nach 28 d etwa 47 % und ist damit niedriger als bei der separaten Faulung von Klärschlamm, bei dem nach 14 d Stabilisierung rd. 56 % des zugeführten oTS abgebaut worden waren. Die Verlängerung der Faulzeit auf 28 d führte zu einer geringen Erhöhung des oTS-Abbaus auf rd. 59 %. Der Gasanfall ist bei der Faulung von Algen mit 0,94 l/g oTS_ab. (28 d) etwas höher als bei der von Klärschlamm (nach 28 d 0,87 l/g oTS_ab.). Die auf den abgebauten CSB bezogene Methanbildung ist bei der Vergärung von Algen mit 0,58 l/g CSB_ab. (28 d) mit der bei der Faulung von Klärschlamm 0,55 l/g CSB_ab. (28 d) vergleichbar. Der Methangehalt des Faulgases erreicht bei der Klärschlammfaulung rd. 67 % (28 d), bei der Vergärung von Algen etwa 65 %.

Die Faulung eines Gemischs, das zu gleichen Teilen aus Klärschlamm und Algen besteht, führt mit i. M. 0,97 l/g oTS_ab. zu einem höheren Gasanfall bei etwa gleich bleibender Methanbildung (i. M. 0,56 l/g CSB_ab. nach 28 d, Methangehalt im Biogas i. M. 67 %) als bei der separaten Faulung von Klärschlamm, allerdings auch zu einem geringeren oTS-Abbaugrad (47,2 % nach 28 d) und zu einem schlechteren Entwässerungsverhalten. Dies zieht zum einen nach sich, dass der Reststoffanfall des Algen-Klärschlammgemischs im Vergleich zu einer äquivalenten Klärschlammmenge aufgrund des geringeren Abbaugrades steigt, zum anderen zu einem höheren Verbrauch an Konditionierungsmitteln zur Unterstützung der Entwässerung führt. Grundsätzlich ist die Co-Vergärung von Algen und Klärschlamm durchführbar.

Die Assimilation von Kohlendioxid durch Algen ist ein natürlicher Vorgang, der bei der Übertragung in einen technischen Prozess einige Schwierigkeiten bereitet. Neben den Problemen bei der Gasreinigung ergeben sich aufgrund der erzielten Wachstums- und Gasumsatzgeschwindigkeiten Konsequenzen für die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens. Der erforderliche Reaktorraum des Photobioreaktors beträgt im Verhältnis zum aufzubereitenden Biogas etwa 1:1. Bei einem einwohnerspezifischen Gasanfall von rd. 20 l/(E∙d) beträgt das einwohnerspezifische Reaktorvolumen 20 l/E. Bei einer Kläranlage mit 100.000 EW sind 2.000 m³ Reaktorvolumen erforderlich. Daneben wird Energie für den Betrieb des Reaktors benötigt. Die Steigerung des Biogasanfalls durch die Co-Vergärung ist relativ gering. Bei einer Belastung durch 100.000 EW und den zu Grunde gelegten Daten erreicht er rd. 4 %. Nach gegenwärtigen Erkenntnissen ist ein wirtschaftlicher Betrieb mit der Co-Vergärung nicht möglich. Eine andere Verwertungsmöglichkeit für die produzierten Algen zu finden ist für den Herkunftsbereich Kläranlage schwierig.

Ein Problem der gewählten Verfahrensvariante liegt ggf. in der Integration des natürlichen Vorgangs der Assimilation von Kohlendioxid in die Technik. Es ist denkbar, dass der halbtechnische bzw. halbnatürliche Verfahrensablauf nicht zielführend ist. Entweder wird ein Verfahren entwickelt, bei dem die Faulgasreinigung weitgehend natürlich abläuft, etwa in den erwähnten Teichanlagen, die den Anforderungen entsprechend anzupassen sind oder es wird ein technischer Prozess geschaffen, der unter weitestgehend kontrollierten Verhältnissen abläuft. Dazu ist es erforderlich die Algenbiomasse in ihrer Wachstumskinetik derart zu beeinflussen, dass sie hohe Umsatzraten erreicht, was einerseits einen hohen Biomassezuwachs, andererseits ein kleineres Reaktorvolumen gewährleistet. Es ist absehbar, dass ein derartiges Verfahren einer industriellen Algenzucht entspricht und hohe Anforderungen an die Überwachung und Steuerung des Prozesses stellt.

Ein Verfahren zur biochemischen Reinigung von Faulgas mit Algen hat bei erfolgreicher Realisierung unzweifelhaft positive Auswirkungen auf die Umwelt. Zum einen besteht ein Biogaspotential, das bei der Vergärung der Algen genutzt werden kann. In den vorliegenden Untersuchungen ist dieses zwar relativ gering, eine Steigerung durch Prozessoptimierung liegt aber im Bereich des Möglichen. Ein weiterer positiver Aspekt besteht im Rückhalt von Kohlendioxid und Umsetzung desselben in Biomasse bzw. Methan, im Fall der Vergärung des Biomassezuwachses. Die ökologische Relevanz, die das Verfahren auf Kläranlagen gewinnen kann, ist, bezogen auf den Gesamtkohlendioxidausstoß in Deutschland, mit 0,001 % vergleichsweise gering. Grundsätzlich ist die Anwendung nicht auf Kläranlagen beschränkt, sondern steht prinzipiell für Gase mit ähnlicher Zusammensetzung zur Verfügung.

Literatur

• Pulz O., Scheibenbogen K., Groß W. (2001). Biotechnology with Cyanobacteria and Microalgae. In: Rehm H.-J. (2001). Biotechnology, Vol. 10: Special Processes, 105-136. 2nd Edition, WILEY-VCH Weinheim.

• Uhlmann D. (1975). Hydrobiologie – Ein Grundriß für Ingenieure und Naturwissenschaftler. 1. Auflage, Gustav Fischer Verlag Jena.

Schlagwörter

Biogasreinigung, Algenreaktor, anaerober Abbau, Algenbiomasse