BMP koreanischer Lebensmittelabfälle und Sickerwässer: Arbeiten von Cho (1995) und Lee (2009)

Eine der frühen Arbeiten zu koreanischen Lebensmittelabfällen – Cho, Park und Chang, Bioresource Technology 52(3) von 1995 (S. 245–253) – betrifft Abfälle mit einem Gehalt von 15–30 % Trockensubstanz (TS). Die Autoren vom KAIST bestimmten das biochemische Methanpotenzial (BMP) der Abfallkomponenten und ihres Gemischs (MFW) und prüften anschließend die Trockenvergärung des Gemischs in zweiphasigen Reaktoren. Man sollte zwei Gruppen von Zahlen unterscheiden: den BMP (bis zu 482 mL CH₄/g zugegebener oTS) sowie die Ausbeute im Reaktor (405–415 mL/g abgebauter oTS).

Wer und wozu

Die Autoren sind Forscher des Zentrums für Bioprozesstechnik des koreanischen Instituts KAIST in Daejeon (unter Beteiligung des Biomasseteams des Korea Institute of Energy Research). Die Schlüsselwörter der Arbeit lauten: gemischte Lebensmittelabfälle, biochemisches Methanpotenzial, anaerobe Trockenvergärung im festen Zustand, zwei Phasen, Festbett und Sickerwasser. Das Ziel war praktisch: ein Verfahren für Küchenabfälle zu entwickeln, die in Korea 15–30 % Trockensubstanz enthalten, ohne große Mengen Wasser zuzugeben.

Was genau untersucht wurde

Laut Abstract betrugen die Methanausbeuten: 482 mL CH₄/g zugegebener oTS für gekochtes Fleisch, 356 für Zellulose (Kontrolle), 294 für gekochten Reis, 277 für frischen Kohl und 472 für das Abfallgemisch (MFW). Die entsprechenden anaeroben Abbaubarkeiten im Verhältnis zur stöchiometrischen Methanausbeute betrugen 0,82, 0,92, 0,72, 0,73 und 0,86. Im einstufigen Methanreaktor sammelten sich flüchtige Fettsäuren (FFS) so stark an, dass sie die Methangärung hemmten, daher wurde MFW mit einem Gehalt von 20 % TS in zweiphasigen Systemen mit Festbett vergoren, in Reaktoren mit 1 l und 8 l. Im 8-l-Reaktor wurde auch der Einfluss der Sickerwasserrückführung auf das Bett untersucht. Im 5-l-Bett wurden weder Nährstoffe noch Puffer noch Impfschlamm zugegeben.

Ergebnisse der Trockenvergärung

In allen Fällen wurden 87–90 % der Trockensubstanz im Festbett abgebaut, und ca. 90 % der anfänglichen oTS des Bettes wurden in Biogas umgewandelt. Die Verarbeitungsdauer hing vor allem von der Leistung des Methanfermenters ab: von der hydraulischen Verweilzeit und der Belastung. Die Methanausbeute betrug über den gesamten Untersuchungszeitraum ca. 405–415 mL/g abgebauter oTS, also ca. 86–88 % des BMP (der Endausbeute an Methan) für dieselbe Probe.

Wie die Zahlen zu lesen sind

Der BMP-Wert beschreibt das maximale Potenzial eines Substrats unter Laborbedingungen, die Ausbeute im Reaktor dagegen das, was in einem konkreten System erreicht wurde. Der Unterschied ist hier deutlich: 405–415 mL/g abgebauter oTS sind ca. 86–88 % des BMP des Gemischs. Bei Vergleichen ist stets zu prüfen:

• die Einheit – mL CH₄ je g zugegebener oTS (BMP) oder abgebauter oTS (Ausbeute im Reaktor) sind nicht dasselbe; ein Ergebnis in mL/g Frischmasse fällt um ein Vielfaches niedriger aus;
• die Zusammensetzung des Substrats – die Komponenten (Fleisch, Reis, Kohl) unterscheiden sich im BMP um bis zu das Doppelte, und das Gemisch liegt dazwischen;
• den Versuchsaufbau – der einstufige Reaktor wurde durch FFS gehemmt, der zweiphasige mit Festbett arbeitete stabil.

Warum die Arbeit von 1995 weiterhin zitiert wird

Laut dem bibliografischen Eintrag in der Datenbank Zhenzhi (343 Zitierungen zum Zeitpunkt der Prüfung) wird die Arbeit häufig zitiert. Spätere Untersuchungen zu koreanischen Lebensmittelabfällen – z. B. die unten beschriebene Arbeit von Lee u. a. zu Sickerwässern (358–478 mL/g oTS im BMP-Test) – weisen ähnliche Größenordnungen aus, was das Vertrauen in den Bereich von 350–480 mL/g oTS für diese Substrate erhöht. Eine konkrete Anlage kann davon abweichen.

Sickerwasser aus dem Recycling von Lebensmittelabfällen (Lee u. a., 2009)

Das Sickerwasser aus Anlagen zum Recycling von Lebensmittelabfällen (FWL) ist in Korea ein schwer zu verwertendes Abwasser. Lee, Behera, Kim und Park von der Universität Ulsan (Waste Management 29(2), 2009, S. 876–882) untersuchten im Labormaßstab, ob FWL in Deponiebioreaktoren oder anaeroben Fermentern vergoren werden kann. Die durchschnittliche Feuchte des Sickerwassers betrug 84 %, das Verhältnis VS/TS 91 %; die Elementzusammensetzung wurde mit der Formel C₁₃,₀₂H₂₃,₀₁O₅,₉₃N₁ erfasst, und die Abbaubarkeit betrug 82,6 %. Im Standard-BMP-Test wurden 358 mL CH₄/g oTS nach 10 Tagen und 478 mL/g oTS nach 28 Tagen erzielt, bei einem durchschnittlichen Methangehalt von ca. 70 %.

Die höchste Ausbeute nach 20 Tagen (403 mL/g oTS) wurde bei 35°C verzeichnet, was die Autoren mit der Anpassung der Mikroorganismen des Impfschlamms an mesophile Bedingungen verbinden; bei 25, 45 und 55°C waren es entsprechend 370, 351 und 275 mL/g oTS. Die Zugabe von Alkalinität erhöhte die Methanausbeute, und die Verdünnung von FWL auf einen Salzgehalt von 2 g/L NaCl ergab 561 mL CH₄/g oTS nach 30 Tagen. Die Autoren schließen, dass bei hoher Abbaubarkeit die Vergärung von FWL mit Kontrolle von Alkalinität und Salzgehalt eine nachhaltige Lösung für das Sickerwasserproblem sein kann. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen nach 10 und 28 Tagen zeigt dabei, dass das BMP-Ergebnis von der Testdauer abhängt.

Schlussfolgerungen für die Praxis

1. Für Gemische aus Küchenabfällen ist der BMP hoch (hier 472 mL/g oTS), aber die Arbeit zeigt, dass im Reaktor 86–88 % dieses Wertes erreicht werden und die geringe Robustheit des einstufigen Systems gegenüber FFS eine Trennung der Phasen erfordert.
2. Die Trockenvergärung (ca. 20 % TS) erfordert andere Ausrüstung als die Nassvergärung, und ihre Attraktivität hängt u. a. von der Verwertung des Sickerwassers ab.
3. Das BMP-Ergebnis eines Labors sollte mit anderen Quellen verglichen werden, um die Streuung abzuschätzen, statt eine einzelne Zahl als Konstante zu behandeln.
4. Im Test am Sickerwasser war die mesophile Temperatur (35°C) am besten; Alkalinität und Salzgehalt beeinflussten die Ausbeute, erfordern in der Praxis also eine Kontrolle.