Fachliche Begleitung - lanuv.nrw.de · PDF fileAbbildung 8: Autoklav zur Hydrothermalsynthese...

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  • Fachliche Begleitung:

    Landesamt für Natur, Umwelt

    und Verbraucherschutz NRW

    Bietergemeinschaft:

    Energie und Klimaschutz NRW, FiW und andere

    Bevollmächtigter Vertreter:

    Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft an der RWTH Aachen e.V. Kackertstraße 15 – 17, 52056 Aachen Dr.-Ing. F.-W. Bolle Dipl.-Ing. Sylvia Gredigk-Hoffmann Dr.-Ing. Henry Riße Tel.: 0241 80 2 68 25 Fax: 0241 87 09 24 Email: [email protected] Web: www.fiw.rwth-aachen.de

    Projektbearbeitung:

    Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelt- technik Universitätsstr. 150, 44801 Bochum Prof. Dr.-Ing. M. Wichern Dr.-Ing. Manfred Lübken M.Sc. Heinz Hiegemann Tel.: +49 (0)234 - 32 23049 Email: [email protected]

    Projektpartner:

    Emschergenossenschaft/Lippeverband Kronprinzenstraße 24 D-45128 Essen

    mailto:[email protected]

  • Studie bitte wie folgt zitieren:

    Hiegemann, H., Lübken, M., Schulte, P., Schmelz, K.-G., Gredigk-Hoffmann, S., Wichern, M. (2015);

    „Optimierung der mikrobiellen Brennstoffzellen-Technik für den Kläranlagenbetrieb – Phase 2“; Ab-

    schlussbericht MKULNV: Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbrau-

    cherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (AZ IV-7-042 600 003 H)

  • I

    Inhaltsverzeichnis

    Abkürzungen ……………………………………………………….…………………………….......III

    Abbildungsverzeichnis …………………………...………………………...……………………….VI

    Tabellenverzeichnis ……..………………………………………………………………….........…IX

    1 Einführung / Zielsetzung ................................................................................................. 1

    2 Stand der Technik / Theoretischer Hintergrund .............................................................. 3

    2.1 Reaktor-Konfigurationen ......................................................................................... 4

    2.1.1 Zweikammer-MBZ ............................................................................................ 4

    2.1.2 Einkammer-MBZ .............................................................................................. 6

    2.1.3 Röhren-MBZ .................................................................................................... 7

    2.1.4 MBZ-Stacks ..................................................................................................... 8

    2.2 Elektrodenmaterialien .............................................................................................10

    2.2.1 Anodenmaterial ...............................................................................................10

    2.2.1.1 Kohlenstoffhaltige Anoden ...........................................................................11

    2.2.1.2 Metall-Anoden .............................................................................................13

    2.2.1.3 Anodenmodifikation .....................................................................................14

    2.2.2 Kathodenmaterial ............................................................................................16

    2.2.3 Katalysatoren ..................................................................................................18

    2.3 Leistungsausbeute .................................................................................................20

    2.3.1 Berechnungsgrundlagen .................................................................................20

    2.3.2 Spannungsverluste .........................................................................................24

    2.3.3 Übersicht über bisher publizierte Leistungsdichten ..........................................25

    2.4 Up-Scaling .............................................................................................................27

    2.4.1 Skaleneffekte ..................................................................................................28

    2.4.2 MBZ-Studien im Technikumsmaßstab .............................................................29

    3 Material und Methoden ..................................................................................................33

    3.1 Laborversuche .......................................................................................................33

    3.1.1 Aufbau der verwendeten Einkammer-MBZ ......................................................34

    3.1.2 Verwendete Anoden ........................................................................................35

    3.1.3 Verwendete Kathoden / Katalysatoren ............................................................36

    3.1.4 Synthese des MnO2-Katalysators ....................................................................36

    3.1.5 Instrumentelle Analytik ....................................................................................38

    3.1.5.1 Nachweis von Geobacter sp. und Shewanella sp. auf den Anoden der Pilot MBZ mittels Fluoreszenz in Situ Hybridisierung (FISH) ..............................................39

  • II

    3.1.6 Betriebsweise der MBZ im Labormaßstab .......................................................41

    3.2 10L MBZ Prototyp ..................................................................................................42

    3.3 MBZ-Pilotanlage KA Bottrop ...................................................................................43

    3.4 Energetische Bilanzierung einer Modell-KA mit integrierter MBZ ............................45

    4 Ergebnisse ....................................................................................................................48

    4.1 Laborversuche .......................................................................................................48

    4.1.1 Maßnahmen zur Leistungssteigerung .............................................................48

    4.1.1.1 Langzeitversuch mit Graphitfilz-Anode .........................................................49

    4.1.1.2 Vergleich von Graphitfilz- und Graphitfaserbürsten-Anoden ........................51

    4.1.1.3 Untersuchung von Edelstahlgewebe zur Stromabgabe ................................55

    4.1.1.4 Vergleich der Effizienz und der Energierückgewinnung ...............................56

    4.1.2 Untersuchung alternativer ORR-Katalysatoren ................................................59

    4.1.2.1 Morphologische und röntgendiffraktometrische Untersuchung des MnO2 ....59

    4.1.2.2 Leistungsdichten, CE und NER der untersuchten Katalysatoren..................61

    4.1.2.3 Untersuchung der Elektrodenpotentiale der ORR-Katalysatoren .................64

    4.1.2.4 Mikroskopische Untersuchungen .................................................................66

    4.2 11L Prototyp MBZ ..................................................................................................72

    4.3 45L Pilot MBZ auf der KA Bottrop ...........................................................................75

    4.3.1 Inokulation des Pilot-MBZ Systems .................................................................75

    4.3.2 Polarisation der vier Pilot-MBZ ........................................................................77

    4.3.3 Versuche zur optimalen Betriebsweise der Pilot-MBZ (Ablauf VK) ..................78

    4.3.4 Betrieb der Pilot-MBZ mit Trübwasser .............................................................83

    4.4 Energetische Bilanzierung ......................................................................................88

    5 Diskussion .....................................................................................................................93

    5.1 Laborversuche .......................................................................................................93

    5.1.1 Leistungssteigerung der Einkammer-MBZ Konfiguration .................................93

    5.1.2 Alternative ORR-Katalysatoren .......................................................................96

    5.2 MBZ-Pilotanlage KA Bottrop ...................................................................................98

    6 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................................. 102

    7 Literatur ....................................................................................................................... 106

  • III

    I Abkürzungen

    AAnode Anodenfläche [m²]

    AKathode Kathodenfläche [m²]

    ACNF Aktivkohle-Nanofasern

    AFS Abfiltrierbare Stoffe [mg/L]

    AOB Ammonium-oxidierende Bakterien

    ATP Adenosintriphosphat

    BA Flächenbelastung [gCSB,zu/(m²An*d)]

    BB Belebungsbecken

    BHKW Blockheizkraftwerk

    BR Raumbelastung [gCSB,zu/(m³MBZ*d)]

    C Coulomb [As]

    CaCO3 Kalziumcarbonat

    CE Coulomb’sche Effizienz [%]

    CEA Cloth Electrode Assembly

    CH4 Methan

    C2H5OH Ethanol

    CLSM Confocal Laser Scanning Microscope

    CNT Kohlenstoff Nanoröhrchen (carbon nanotubes)

    CoTMPP Kobalt-Tetramethylphenylporphyrin

    CSB Chem