Forschungsvorhaben

Betreute bzw. mitbetreute Forschungsvorhaben des Lehrstuhlleiters Prof. Wichern an der TU München (LS für Siedlungswasserwirtschaft)


Wasserversorgung und Abwasserbehandlung in Megacities von morgen - Konzepte für Lima, Peru (BMBF/DLR)

Ziel des Projektes war es, Konzepte für eine nachhaltige und effiziente Abwasserreinigung in Großstädten zu entwickeln. Unter Berücksichtigung der klimatischen Situation in Lima wurden verschiedene Abwasserreinigungsverfahren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und der entstehenden Kosten getestet. Neben diesen technischen und ökonomischen Aspekten wurden beim zu entwickelnden Verfahrenskonzept auch der Ausbildungsstand des Betriebspersonals oder des Betreibers und soziokulturelle Aspekte berücksichtigt. Ziel des Forschungsvorhabens war es nicht, eine bestimmte Verfahrenstechnik einseitig weiterzuentwickeln, sondern zu untersuchen, welche Verfahrenstechnik für welche Einsatzbereiche eingesetzt werden kann, so dass später in einem modularen Konzept eine schlüssige Lösung für unterschiedliche Anschlussgrößen und Abwasserverhältnisse zusammengestellt werden kann. Im Rahmen des Projektes werden so unterschiedliche Verfahren wie die Anaerobtechnik zur Behandlung von Schwarzwasser, die MAP-Fällung zur Rückgewinnung der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor für die Landwirtschaft, die Biofilmtechnik oder die Membrantechnik eingesetzt. In einem modularen System sollten diese Verfahrenstechniken flexibel kombinierbar und einsetzbar sein. Sicherzustellen war eine weitgehende Betriebsstabilität, so dass die Verfahrenstechnik in einem dezentralen Konzept beispielsweise auch für Hotels oder größere Wohnkomplexe genutzt werden kann. Durch den Einsatz von Prozessleittechnik und Datenfernübertragung war die Überwachung der dezentral eingesetzten Anlagen von einer zentralen Warte aus möglich. Von großer Bedeutung für die Umsetzung dieses Konzeptes war die frühe Einbindung der Öffentlichkeit und die Berücksichtigung wichtiger Interessengruppen beim Entscheidungsprozess. Die in Lima entwickelten Konzepte sind auf andere Megacities übertragbar.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Institut für Automation und Kommunikation in Magdeburg (ifak), Institut für Advanced Studies on Sustainability (IoS), Institut für Umwelttechnik und Management der Universität Witten-Herdecke (IEEM), Dialogic GmbH, Hans Huber AG, Siemens AG, Sedapal, Pontificia Universidad Catolica del Perú und das NGO Foro Cuidades Para la Vida; (www.liwa.de).


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Einsatz und Anpassung anerkannter Simulationsmodelle für verschiedene Klimazonen als Beitrag zur effizienten, kostengünstigen Bemessung und Betriebsoptimierung von Abwasserreinigungsanlagen (BMBF)

Das beantragte Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, anerkannte Simulationsmodelle für die Kohlenstoff- und Stickstoffelimination so an die Gegebenheiten anderer Klimazonen anzupassen, dass sie effizient zur Auslegung und Betriebsoptimierung von Abwasserreinigungsanlagen genutzt werden können. Die Simulation wurde zudem als Werkzeug genutzt, das einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung und Absicherung von Bemessungsrichtlinien für das Belebungsverfahren, Tropf- und Tauchkörperanlagen sowie Anaerob- und Teichanlagen im internationalen Raum leistet.
Die Modelle (Activated Sludge Model No.1 und No.3; (ASM 1 und ASM 3)) der IWA Task Group on Mathematical Modeling for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment sind in Deutschland und im Ausland zur Beschreibung von biologischen Abbauvorgängen in Belebungsanlagen außerordentlich anerkannt. Die Modellierung mit diesen Ansätzen wird an zahlreichen ausländischen Universitäten gelehrt, da sie u.a. äußerst flexibel bei verschiedenen Temperaturen, Abwasserzusammensetzungen, Hemmungen und Sauerstoffeinträgen einsetzbar sind. Die in der Praxis oft kritische Frage, welcher Berechnungsansatz in welcher Region im Ausland Gültigkeit hat und wie dieser anzuwenden ist, stellt sich bei der Anwendung der IWA-Modelle so nicht. Es ist jedoch unabdingbar, dass diese Modelle und deren Anwendung so vereinfacht werden, dass sie für verschiedene Länder und Klimazonen nutzbar sind. Von besonderer Wichtigkeit ist eine Vereinfachung bei der Kalibrierung der Ansätze, die Elimination weniger wichtiger Prozesse sowie die Reduzierung der Anzahl der zu messenden biologischen/chemischen Parameter und Zulaufgrößen. Dadurch wird es möglich, die Ansätze kostensparend im Rahmen von Ausschreibungen, bei der Einschätzung von Marktchancen, bei der Visualisierung von Ergebnissen, der ’Vorabbemessung’ vor Ort am Notebook und im Besonderen bei Betreibertätigkeiten einzusetzen. Neben der Berechnung von Belebungsanlagen werden darüber hinaus im Projekt Anaerobanlagen (ADM 1), Biofilmanlagen und Teichanlagen modelliert.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Fachhochschule Emden (Eutec), Institut für Automation und Kommunikation (ifak)


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Toolkit zur Projektbewertung und Visualisierung von kommunalen Abwasserklärwerken unter verschiedenen länderspezifischen Gegebenheiten (BMBF)

Als Teilprojekt des BMBF-Verbundvorhabens „Exportorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Abwasserbehandlung“ wurde in dem Forschungsvorhaben ein Software-Toolkit zur Bewertung und Visualisierung von kommunalen Abwasserreinigungsverfahren unter verschiedenen länderspezifischen Gegebenheiten entwickelt. In dem Vorhaben wurden die Einzelergebnisse der anderen technischen Teilprojekte des Forschungsverbundes gebündelt und in Form von stationären mathematischen Modellen in ein Software-Toolkit integriert. Dabei wurden anhand eines Kriterienkataloges eine objektive Bewertung und ein Variantenvergleich ermöglicht. Anstatt dynamischer Modelle, die aufgrund ihrer hohen Komplexität und erforderlichen Input-Parameter in der Praxis für Laien oft nur unter hohem Zeitaufwand anwendbar sind, wurden in dem Projekt leichter handhabbare stationäre Modelle entwickelt, um dem Anwender eine erste Beurteilung verschiedener Konzepte bezüglich technischer, ökonomischer, sozio-ökonomischer und ökologischer Aspekte zu ermöglichen. Dazu flossen sowohl Erkenntnisse aus der dynamischen mathematischen Modellierung technischer Aspekte als auch aus ökonomischen Analysen in das Projekt ein. Analysiert wurden verschiedene Verfahren wie Belebungsanlagen, Anaerob- und Teichanlagen, Tropf- und Tauchkörper, Festbetten, Verfahren der Schlammbehandlung und der Hygienisierung sowie Stufenausbaukonzepte für Kläranlagen. Ziel war es dabei, nicht nur die einzelnen Technologien zu betrachten, sondern vielmehr auch beliebige Kombinationen dieser Technologien beurteilen zu können.
Die umfangreichen Daten aus der Analyse der Verfahren, der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sowie der Bemessung und Modellierung wurden in dem Softwareprodukt grafisch aufgearbeitet und dem Anwender in geeigneter Weise visualisiert. Hierfür wurden Bausteine als Komponenten für eine Visualisierung entwickelt, welche fallspezifisch vereinfacht und für die Verfahren Belebungsanlage, Biofilmanlage, Anaerobanlage und Teichanlage durchgeführt werden können. Die Entwicklung einer multimedialen Schnittstelle zwischen Leitfaden und Toolkit war Bestandteil des Projektes.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik (Leibniz-Universität Hannover), Institut für Umwelttechnik und Management (Universität Witten/Herdecke gGmbH), LS für Siedlungwasserwirtschaft (RUB), Institut für Automation und Kommunikation (ifak)


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Grundlagen der Biogasgewinnung aus pflanzlicher Biomasse:Modelle zur Optimierung, Stabilisierung und Regelung des anaeroben Abbauprozesses von pflanzlicher Biomasse (BMBF)

Sollen nachwachsende Rohstoffe in einem anaeroben Verfahren großflächig zur Energiegewinnung eingesetzt werden, ist besonders ein stabiler Betrieb und die Optimierung der Biogasproduktion von Bedeutung. Gerade für veränderliche Zuläufe & Substrate sowie unterschiedliche Betriebszustände des Reaktors ist es auch für einen erfahrenen Betreiber oft schwierig, einen stabilen und ertragreichen Betrieb einer komplexen Anlage aus Annahme- und Anmaischbehälter, Hygienisierung, Quetsche, Fermenter und Gärrestlager sicherzustellen.
Hier kann der Einsatz geeichter mathematischer Modelle einen wichtigen Beitrag zur Bemessung der Anlage, zur Stabilisierung und Optimierung des Prozesses geben.
Ziel dieses Teilprojektes war es, zum einen die grundlagenorientierte Entwicklung eines biologischen Modells zur Beschreibung der Abbauvorgänge im Anaerobreaktor, zum anderen die Entwicklung einer Prozesssteuerung, die einen ertragsreichen und stabilen Betrieb der Anlage zu ermöglichen. Die Entwicklung des mathematischen Modells erfolgte auf Grundlage international eingesetzter und validierter Modelle des anaeroben Abbaus. Bisherige Schwächen der Modelle im Bereich der Hydrolyse cellulosehaltiger schwer abbaubarer Substrate, in der Beschreibung der hydrogenotrophen und acetogenen Methanogenese sowie bei der Beschreibung von Hemmprozessen sollten beseitigt werden. Die Prozesssteuerung wurde auf Grundlage der Fuzzy Logic entwickelt.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München)


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Intensivierung des anaeroben Biomasseabbaus zur Methanproduktion aus Nachwachsenden Rohstoffen. Modellierung und Prozessteuerung, Anlagenbetrieb und mikrobiologische Analytik (FNR)

Das Projekt war Teil eines Verbundes (IBMN) bestehend aus 5 Projektpartnern. Innerhalb des IBMN-Projektverbundes bearbeitete der Lehrstuhl ein weit gefasstes Teilprojekt zur „Modellierung und Prozesssteuerung, Anlagenbetrieb und mikrobiologische Analytik“. Durch das novellierte EEG gewinnt die Biogaserzeugung aus NawaRo stark an Bedeutung. Allerdings ist der Betrieb von Biogasanlagen ohne oder mit nur geringen Anteilen von Gülle noch nicht Stand der Technik. Dennoch besteht in diesem Bereich zunehmendes Interesse. Steigende Investitions- sowie Beschaffungskosten der Rohstoffe erfordern Maßnahmen, um die Effizienz der Prozesse und die Methanausbeute entscheidend zu verbessern. Insbesondere für energiereiche, zellulosehaltige (und deshalb schwer abbaubare) nachwachsende Rohstoffe wie Mais- oder Grassilage besteht großer Forschungsbedarf, um einen effizienten, energieertragreichen und stabilen Betrieb von Biogasanlagen zu gewährleisten. Ziel ist es auch aus ökologischer Sicht, die organische Substanz weitestgehend für die Methanproduktion zu erschließen. Um solche lignocellulosehaltige Biomasse (LCB) unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in Biogas umzusetzen, müssen sowohl die verfahrenstechnischen, als auch die biologischen Prozesse möglichst weitgehend verstanden und auf dieser Basis optimiert werden. Besonders der biologischen Umsetzung der schwer abbaubaren Stoffe kommt große Bedeutung zu, da hydrolysierte Substanzen und Stoffwechselprodukte zusätzlich für die Biogasgewinnung zur Verfügung stehen. Gegenüber biologischen Verfahren sind chemische Aufschlussverfahren weniger kosteneffizient, physikalische Verfahren in der Regel weniger energieeffizient. Die Kombination von Methoden aus der funktionellen molekularen Mikrobenökologie, der Verfahrenstechnik und der Prozessmodellierung soll es ermöglichen, sowohl die Prozesskinetik deutlich zu erhöhen als auch die Effizienz und Stabilität entsprechender Anlagen zu steigern. Um die Akzeptanz der Biogasproduktion in Deutschland zu verbessern, wurden auch ökonomische und ökologische Kriterien für die Optimierung des Prozesses in das Forschungsprojekt integriert.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Dr. rer.nat. M. Lebuhn, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Institut für Landtechnik und Tierhaltung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft in Freising (ILT)


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Entwicklung eines anaeroben Hochleistungsreaktors zur Behandlung von kommunalem Abwasser mit Hilfe einer Ultrafiltrationsmembran im Vakuumbetrieb (BMBF)

Die biologische Reinigung von kommunalem Abwasser erfolgt in aller Regel aerob/anoxisch mit Hilfe von Mikroorganismen und künstlicher Belüftung. Diese Technologien sind bewährt und seit Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz. Neben einer guten Reinigungsleistung zeichnen sie sich allerdings auch durch eine hohe Produktion von Klärschlamm aus. Im Vergleich zur energieintensiven, aeroben Oxidation vorhandener Schad- und Nährstoffe im Abwasser bieten anaerobe Prozesse den Vorteil der Energierückgewinnung aus Abwasserinhaltsstoffen. Die Klärschlammproduktion ist deutlich geringer; ferner unterliegen die anorganischen Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor nicht dem biologischen Abbau. Dadurch können die Nährstoffe der Flüssigphase für die landwirtschaftliche Bewässerung genutzt werden. Allerdings benötigen die anaeroben Verfahren erhöhte Temperaturen, wodurch sich einige Vorteile relativieren, insbesondere dann, wenn nur geringe Kohlenstoffkonzentrationen im Abwasser vorliegen. Bisherige Untersuchungen zur anaeroben Abwasserbehandlung im kommunalen oder industriellen Bereich zeigen, dass die Elimination der organischen Kohlenstoffverbindungen (CSB) besonders bei Abwasser mit geringeren CSB-Konzentrationen und/oder niedrigeren Temperaturen (< 20°C) oft nur sehr ungünstige Ergebnisse hervorbringt. Ursache hierfür ist, dass es trotz funktionierendem Anaerobprozess nicht gelingt, für einen ausreichenden Austrag des Methangases aus der Flüssigphase im Reaktor selbst zu sorgen. Da der Austrag des Methangases unkontrolliert zu einem späteren Zeitpunkt z.B. im Gewässer oder bei der Aufbringung auf landwirtschaftliche Nutzfläche stattfindet, kann diese Technik dann nicht mehr das Attribut der Nachhaltigkeit für sich in Anspruch nehmen. Freigesetztes Methan (CH4) hat ein um das 21-fache höheres Treibhauspotenzial als CO2.
Diesem Problem sollte mit Durchführung des beantragten Vorhabens Rechnung getragen werden. Unter Einsatz eines neu zu entwickelnden anaeroben Membranverfahrens im Vakuumbetrieb sollte ein leistungsfähiges Abwasserreinigungsverfahren ohne zusätzlichen Energieeinsatz für verschiedene Aufgabenstellungen entwickelt werden, das kurze Verweilzeiten des Abwassers, geringen Klärschlammanfall und selbst bei „dünnem Abwasser“ eine energetische Nutzung des Biogases bei entsprechender Größenordnung der Kläranlage erlaubt. Dabei orientierte sich das Verfahren an den wichtigen Aufgabenstellungen der Reduzierung des Klärschlammanfalls, Nutzung des keimreduzierten Abwassers und darin enthaltener Nährstoffe für Bewässerungszwecke, und energetische Verwertung des Treibhausgases Methan auch bei dünnerem Abwasser und niedrigen Temperaturen.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Hans Huber AG


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Optimierung von UASB Reaktoren für die kommunale anaerobe Abwasserreinigung in Brasilien (DAAD, CAPES)

UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) werden in Brasilien und Südamerika anders als in Europa auch für die kommunale Abwasserreinigung eingesetzt. Das ist zweckmäßig, wenn das Ziel besonders die Elimination von Kohlenstoffquellen ist und die Stickstoffelimination untergeordnete Bedeutung hat. Das anaerobe Verfahren hat den Vorteil, dass Methangas gewonnen wird, welches für die Energiegewinnung genutzt werden kann. Darüber hinaus ist mit einem weitaus geringeren Schlammanfall als bei den aeroben Verfahren zu rechnen. Ziel des Projektes in der Millionenstadt Recife war es, eine UASB-Anlage im Praxismaßstab von 810 m³ hinsichtlich ihres stabilen Betriebes und des Biogasertrages zu optimieren. Neben dieser Praxisanlage, auf die ein Schönungsteich folgt und deren Abwässer zur landwirtschaftlichen Wiederverwertung genutzt werden, waren am Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft der Universität Pernambuco im Pilotmassstab noch weitere EGSB- (Enhanced Granular Sludge Bed) und Hybrid-Reaktoren vorhanden. Die Erkenntnisse des Betriebs dieser Reaktoren und die Nutzbarkeit des gereinigten Abwassers als Stickstofflieferant auf den landwirtschaftlichen Flächen versprachen ein interessantes gemeinsames Arbeitsfeld. Das WGA brachte seine Erfahrungen in der mathematischen Simulation und in der Mikrobiologie ein. Grundlage für die mathematische Beschreibung der Reaktoren war das Anaerobic Digestion Model No. 1 , das mit 19 Prozessen und 32 Stoffgruppen sehr detailliert die Abbauvorgänge im Anaerobreaktor beschreibt. Es war Ziel, Prozessbeschreibungen besonders für die Hydrolyse und die acetogene und hydrogene Methanogenese für das spezielle Abwasser in Recife zu entwickeln.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)


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Charakterisierung der Abbauprozesse beim Einsatz von granuliertem belebtem Schlamm in aeroben Abwasserreinigungsanlagen (DFG)

Mikrobielle Granula werden in der anaeroben Behandlung hochbelasteter Abwässer bereits seit Jahrzehnten großtechnisch eingesetzt. Sie verbinden die Vorteile biologischer Abwasserreinigungsverfahren mit suspendierter und immobilisierter Biomasse. Bei der aeroben Abwasserreinigung steht der Einsatz von granuliertem Belebtschlamm jedoch erst am Anfang der Entwicklung. Durch den Einsatz aerober Granula kann die Prozeßeffizienz des Belebtschlammverfahrens deutlich verbessert werden. Durch ihre kompakte Wuchsform setzen sich Granula erheblich schneller ab, damit sind erheblich höhere raumspezifische Umsatzraten und kürzere Aufenthaltszeiten in der Sedimentationsstufe erzielbar. Zusätzlich kommt es nicht zu der normalerweise zu beobachtenden Verschlechterung des Sauerstoffeintrags bei höheren Feststoffgehalten und aerobe Granula zeigen sehr gute metabolische Langzeitstabilität unter anaerober Lagerung (Kampagnenbetrieb).
Die Bildung aerober Granula wird durch Einstellen eines zyklischen Wechsels klar definierter Perioden hoher und niedriger Verfügbarkeit externer Substrate (SBR-Betrieb) sowie hoher hydraulischer Scherkräfte und durch die gezielte Sleektion zugunsten langsam-wachsender Biofilmbildner induziert. Aufgrund der höheren Absetzgeschwindigkeit von granuliertem Belebtschlamm kann durch Einstellen kurzer Absetzzeiten gezielt selektiert werden und können die langsamer absetzenden Belebtschlammflocken ausgewaschen werden.
Aufgrund der genannten Voraussetzungen für die Bildung aerober Granula, ist die Technologie prädestiniert für den Einsatz in der aeroben Behandlung von Abwässern der Lebensmittelindustrie. In der Behandlung von Mälzerei- und Molkereiabwässern im SBR konnten bei Volumenaustauschverhältnissen zwischen 50 % und 75 % und Raumbelastungen zwischen 4 und 6 kgCSB/(m³d) CSB-Eliminationsleistungen zwischen 80 und 90 % bei gleichzeitiger Nährstoffelimination erreicht werden.
Im Rahmen des Projektes war es darüber hinaus gelungen, die biologische Abbaubarkeit von CSB und Stickstoff mit einem mathematischen Biofilmmodell auf Grundlage des ASM 3 zu beschreiben. Darüber hinaus war es möglich, das gegenüber Belebtschlammflocken raschere Absetzen der Granula mit der dynamischen Simulation vorherzusagen. Zweck der mathematischen Modelle ist es letztendlich, durch ihren Einsatz zu einem effizienteren Stoffabbau und einem stabileren Betrieb der Anlage zu kommen. Die Modelle können auch zur Anlagenbemessung eingesetzt werden.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. P.A. Wilderer, Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München)


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Mathematical Modeling of the Anaerobic Degradation of Energy Crops based on the Anaerobic Digestion Model No. 1 (DFG)

Im Rahmen eines dreimonatigen Forschungsaufenthaltes am Advanced Water Management Center der Universität Queensland (Australien) sollte die mathematische Beschreibung der anaeroben, meso- und thermophilen Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen untersucht werden. Ausgangspunkt für die weitere Forschung war das 2002 veröffentlichte Anaerobic Digestion Model No. 1 (Batstone et al., 2002). Obwohl landwirtschaftliche Substrate schon seit einiger Zeit zur Biogasgewinnung genutzt werden, basieren bisherige mathematische Modelle und auch das ADM 1 weitgehend auf Untersuchungen zu Faulschlamm bzw. kommunalem oder industriellen Abwasser. Aus wissenschaftlicher Sicht besteht hier erheblicher Forschungsbedarf. Nachwachsende Rohstoffe liegen nach der Silierung mit weitaus höheren Feststoffkonzentrationen vor als das bei Abwasser der Fall ist. Des Weiteren haben Grassilage, Stroh- oder Maissilage höhere Anteile schwer abbaubaren Materials (Cellulose oder Lignin). Ungeklärt war, inwieweit die Hydrolyse dieser schwer abbaubaren Substrate modelltechnisch beschrieben werden kann oder ob die Prozesse des Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM 1) hier ausreichend sind. Die Zulauffraktionierung des für die Modellierung im ADM 1 nötigen CSBs ist eine der sensitivsten Parameter für den Methanertrag und die Gaszusammensetzung. Geklärt werden sollte, wie die Zulauffraktionierung bei nachwachsenden Rohstoffen in Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Lignin und Cellulose zu erfolgen hat, wenn eine Charakterisierung des Zulaufsubstrats über die Weender- und Van-Soest-Analyse durchgeführt wurde. Es war zudem zu prüfen, ob Milchsäure, die während der Silierung zugeben wird, im ADM 1 als eigener Modellparameter berücksichtigt werden muss. Neben der Modellierung der Dynamik der Wasserstoffproduktion war auch die Rolle der Spurenstoffe bei längerem Anlagenbetrieb nicht eindeutig geklärt. Darüber hinaus sind Fragen zur Hemmung der biochemischen Prozesse zu beantworten. Hemmungen treten u.a. bei der acetoclastischen Methanogenese durch die Freisetzung von Stickstoff im Rahmen der Vergärung von Grassilage und auch bei erhöhten Raumbelastungen auf. Es gab für die beschriebenen Fragen keine modelltechnische Lösung, die die Vorgänge im Metabolismus der Biomasse so genau beschreibt, dass eine Vorhersage des Abbausverhaltens nachwachsender Rohstoffe sicher möglich wäre. Der Forschungsaufenthalt bei den Entwicklern des ADM 1 sollte die grundlagenorientierten Fragestellungen auf modelltechnischer Ebene aufgrund vorliegender Messdaten chemisch-/physikalischer und mikrobiologischer Analytik (FISH) an den beteiligten Instituten klären.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), AWMC (University of Queensland)


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Forschungsaufenthalt in Mexiko zum Einsatz aerober Granula (DAAD)

Thema des Forschungsaufenthaltes war die mathematische Simulation der biologischen Abbauvorgänge beim Einsatz von aeroben Granula. Aerobe Granula zeichnen sich durch hohe Stoffumsatzleistungen und eine weitaus bessere Absetzfähigkeit als flockenförmiger Schlamm aus. Es ist zu erwarten, dass aerobe Granula besonders in der Industrieabwasserreinigung in den kommenden Jahren eine entscheidende Rolle bei Hochleistungsreaktoren spielen werden.
Bisherige Untersuchungen zeigten, dass es in der mathematischen Simulation des Verfahrens besonders darauf ankommt, die Sterbeprozesse der Biomasse in den Griff zu bekommen. Für Mälzereiabwasser hat sich die Integration des Erhaltungsstoffwechsels als sinnvoll erwiesen. Zudem war es notwendig, die schwer abbaubaren Substrate in zwei Einzelfraktionen aufzuteilen, da nur so die Biomassenentwicklung vorhergesagt werden konnte. Durch die mathematische Simulation des Biofilms lassen sich sowohl die biologischen Prozesse im Inneren der Granula besser verstehen als auch Hinweise für einen kostensparenden Betrieb der Anlage entwickeln.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Instituto de Engeneria (UNAM)


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Behandlung von Abwässern aus der Bioabfallvergärung mittels SBR und Bodenfilter (Oswald-Schulze-Stiftung)

Strukturreiche Bioabfälle können in einer mehrstufigen Vergärung erfolgreich im anaeroben Milieu zu Biogas umgesetzt werden. Mit den anaeroben Vergärungsschritten aus Hydrolysestufe, Hygenisierung und Festbestbettmethanreaktor lassen sich erfolgreich ca. 50% des Energiebedarfs der Abfallbehandlungsanlage mittels Biogas abdecken. Ein Großteil des Energiebedarfs wird bei der Reinigung des Abwassers aus der Gärrest-Entwässerung in der aeroben/anoxischen Stufe zur Stickstoffelimination notwendig, die zudem nur sehr unzureichend mit dem anfallenden Stickstoff fertig wird. Hintergrund hierfür ist die Tatsache, dass vielfach CSB/TKN-Verhältnisse sehr gering sind und der abzubauende CSB nur schwer durch die aerobe Biomasse hydrolisiert werden kann.
Um sowohl den Energiebedarf einer aeroben Behandlungsanlage zu senken, als auch die Stickstoffelimination zu verbessern, sollte eine neue Verfahrenskombination bestehend aus SBR und vertikal durchflossenem Bodenfilter eingesetzt werden. Das Verfahren wurde in ähnlicher Form schon für die Sickerwasserbehandlung eines Kompostbetriebes erfolgreich erforscht und sollte nun in weiterentwickelter Form für die Abwasserbehandlung aus der Bioabfallvergärung eingesetzt und wissenschaftlich überprüft werden. Es konnte gezeigt werden, dass im Bodenfilter kurzzeitig Stickstoffeliminationsleistungen von über 12 gNH4-N/(m²*d) erreicht werden können. Im Rahmen des Forschungsvorhabens war zu untersuchen, ob die Stickstoffelimination ähnlich erfolgreich und kostensparend auch für Abwässer aus der Bioabfallvergärung durchgeführt werden kann, wenn ein SBR zur Abtrennung partikulärer Stoffe und ein vertikal durchflossener Bodenfilter zur Nitrifikation mit zwei weitgehend getrennten Biozonösen und Abwasserrückführung betrieben werden. Ergänzend zum Versuchsanlagenbetrieb sollte die mathematische Simulation zur Überprüfung der Stoffbilanzen und zur Optimierung des Anlagenkonzeptes zum Einsatz kommen. Durch die Simulation waren Aussagen darüber zu treffen, wie ein optimierter Anlagenbetrieb bei der schwankenden Qualität der Abwässer einer Bioabfallvergärungsanlage mit verstärktem Prozesswasserbedarf am Wochenende zu erreichen ist.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München)


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Hydrolyse von Strukturmaterialien durch Einsatz spezieller Biozönosen Resi II (EU-EFRE)

Ziel des Projektes ist es unter anderem, zu einer Leistungssteigerung der thermophilen anaeroben Behandlung von Fäkalschlamm zu kommen. Der Lehrstuhl hat im Rahmen des Vorhabens die Aufgaben der mathematischen Modellierung des anaeroben Prozesses zur Steigerung der Hydrolyse, der Stabilisierung des Prozesses und derOptimierung der Leistungsfähigkeit des Membranverfahrens im zweistufigen Verfahren übernommen. Durchgeführt wurden des Weiteren mikrobielle Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit der Hygenisierung im thermophilen Verfahren, die mathematische Modellierung der Hygenisierung, die Analyse der Zusammensetzung der mikrobiellen Population mittels FISH-Technik und die Erarbeitung von Vorschlägen für eine geeignete Membran (Diffusionsmembran) zur Verringerung der Energiekosten des Verfahrens.
Für die mathematische Modellierung des anaeroben Prozesses kommt das aktuelle IWA Anaerobic Digestion Model No. 1 (2002) zum Einsatz. Die Hygienisierungseffizienz des untersuchten anaeroben Verfahrens wird anhand der Indikatorparameter Coliforme, Fäkalcoliforme, Enterokokken und fäkale Enterokokken bestimmt. Es wird ein empirisches mathematisches Modell entwickelt, anhand dessen eine Beschreibung und Optimierung des Hygienisierungspotentials des thermophilen Anaerobsystems erfolgt. Populationsanalysen über FISH mit Schwerpunkt auf methanogene Archaea sollen mikrobielle Veränderungen während der Prozesse dokumentieren. Durch die Kombination von mathematischer Modellierung, Ingenieurwesen und mikrobiologische Untersuchungen wurde ein detaillierter Einblick in die biologischen Prozesse innerhalb des Reaktors gewonnen.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern, Prof. Dr. rer.nat. H. Horn
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München), Hans Huber AG, ATZ-Evus


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Einsatz der dynamischen Simulation zur Prozesssteuerung und Optimierung des anaeroben Vergärungsprozesses (Oswald-Schulze-Stiftung)

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die mathematische Modellierung anaerober Vergärungsprozesse genutzt, um eine geeignete Prozesssteuerung zur Stabilisierung und Optimierung des Betriebes von Anaerobreaktoren zu entwerfen. In der Betriebspraxis von Anaerobreaktoren gibt es häufig das Problem, dass höchst unterschiedliche Substrate zugegeben werden. Durch Hemmungsreaktionen oder Übersäuerung des Reaktors können dann beispielsweise die Methanogenese und daraus folgend die Acetogenese stark eingeschränkt werden oder ganz zusammenbrechen. Es liegt also ein äußerst instabiles Prozessgefüge verschiedener Abbauschritte vor. Mittels einer Prozesssteuerung können u.a. durch die Messung von H2, Methangas, organischen Säuren und pH-Wert frühzeitig zukünftige Betriebsprobleme erkannt werden, und es kann durch geeignete Maßnahmen gegengesteuert werden (Zugabe basischer Mittel, Stoppen des Zuflusses, etc.).
Anhand vorhandener Messdaten zur Vergärung wurden international anerkannte Simulationsmodelle weiterentwickelt und kalibriert. Danach konnte die Leistungsfähigkeit verschiedener Steuerungsstrategien auf Basis von Fuzzy Control für dynamische Zulaufdaten am mathematischen Modell getestet werden. Es war durch die Simulation möglich, detaillierte Prognosen und Steuerungsstrategien für zahlreiche Abwasserzuläufe und Betriebszustände im Anaerobreaktor zu entwickeln, die sonst nur durch aufwendige und teure Messphasen ermittelt werden könnten. Für das Übertragen der Erkenntnisse aus der Simulation in die Praxis war eine genaue Kalibrierung des mathematischen Modells an den vorhandenen Praxisdaten nötig.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
Projektleitung: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München)


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Messung und Modellierung der Keimbelastung von Wasser aus der Isar unter Verwendung eines Fließrinnensystems im Techikumsmaßstab (Oswald-Schulze-Stiftung)

Der Fokus des Projektes lag zunächst auf der Bestimmung der für Isarwasser spezifischen Abbaurate von Coliformen, Fäkalcoliformen und Intestinale Enterokokken unter UV-Licht. Dazu wurde ein Fließrinnensystem im Technikumsmaßstab mit Sohlsubstrat aus der Isar verwendet, in dem Isarwasser zirkulierte. Durch Zugabe von vorgeklärtem Abwasser wurde eine stoßartige Keimbelastung initiiert und die Abnahme der Keimbelastung gemessen. Die Messdaten wurden mit Hilfe der mathematischen Simulation ausgewertet.



Projektleitung an der TUM: Prof. Dr. rer.nat. H. Horn, Prof. Dr.-Ing. M. Wichern
Projektpartner: LS für Siedlungswasserwirtschaft (TU München)