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Abwasserreinigungsanlage für ein Milchtrockenwerk

Die Hochwald Foods GmbH verarbeitet als genossenschaftlich strukturiertes Unternehmen die von den bäuerlichen Anteilseignern gelieferte Rohmilch. Am Standort in Hünfeld betreibt das Unternehmen eine Produktionsstätte für Käseprodukte. Als Nebenprodukt bei der Käseherstellung fallen große Mengen Molke an, die bisher als Tierfutter oder als Nahrungsergänzungsmittel genutzt wurde. Um eine höherwertige Verwertung z.B. als Zusatz in Säuglingsnahrung, zu erreichen, wurde in Hünfeld ein neues Demineralisierungs- und Trockenwerk gebaut. Dieses erreicht hohe Demineralisierungsgrade und ist das erste Werk dieser Art in Deutschland. Die aus diesem Werk anfallenden, hoch organisch belasteten und stark salzhaltigen Abwasserströme konnten nicht wie bisher die Abwässer der Käseproduktion der kommunalen Kläranlage zugeführt werden. Daher wurde eine Industrieabwasserreinigungsanlage (IAR) geplant, gebaut und parallel zum Demineralisierungs- und Trockenwerk in Betrieb genommen. Es fallen pro Tag ca. 2300 Kubikmeter Abwasser an, mit hohen Belastungen an chemischem Sauerstoffbedarf (CSB), Phosphor, Chlorid und Kalium. Das Abwasseraufkommen verteilt sich etwa gleich auf vier Teilströme, organisch gering belastete Abwässer, organisch hoch belastete Abwässer und überwiegend mineralisch belastete Abwässer aus dem Trockenwerk sowie einen Teilstrom aus der Käseproduktion. Zur zielgerichteten Behandlung werden diese in separaten Leitungen der IAR zugeführt. Die Behandlung erfolgt in den Verfahrensschritten: Elektrodialyse; Reduzierung der Chloridfracht um 1/3 und der Kaliumfracht um 2/3 gegenüber dem Ausgangswert, das entspricht einer Eliminationsleistung von min. 2.200 Kilogramm Chlorid pro Tag bzw. 1.600 Kilogramm Kalium pro Tag Flotation ungelöster Stoffe Anaerobe Abwasserbehandlung; CSB- Abbau, Erzeugung von Biogas als Wertstoff aus einem salzreichen Substrat MAP- Fällung; Entfernung von Phosphor und Erzeugung von Magnesiumammoniumphosphat als Wertstoff Aerobe Abwasserbehandlung in SBR- Reaktoren; weitergehende P- und N- Elimination in einem salzreichen Substrat Die Teilströme, die hohe Konzentrationen an anorganischen Salzen enthalten, werden der Elektrodialyse zugeführt, wobei die Ionen über monovalente Membranen aufkonzentriert und ausgeschleust werden. Die Trockenwerksabwässer, die stark mit organischen Verbindungen (Molkeprotein, ungelöste Stoffe) verunreinigt sind, werden der Flotationsanlage zugeführt, in der unter Zuhilfenahme von Flockungsmitteln ein Teil des CSB sowie Schwebstoffe entfernt werden. Im Wesentlichen wird die Flotation im Sinne einer Fettabscheidung betrieben. Das aus der Flotation ablaufende Wasser wird anschließend dem anaerob arbeitenden R2S- Reaktor zugeführt, in dem der überwiegende Teil der Organik abgebaut wird. Dann wird das Abwasser der MAP-Fällstufe zugeführt, wobei vorgesehen ist, das ausgefällte Magnesiumammoniumphosphat als Wertstoff zu vermarkten. Der Ablauf der MAP-Fällstufe wird anschließend im Belebungsverfahren aerob weiterbehandelt. Dabei kommen zwei SBR- Reaktoren (Sequencing Batch Reaktor) zum Einsatz, die wechselseitig beschickt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, mittels Nachfällung weitere Phosphorverbindungen zu eliminieren. Die Eliminationsleistung von Phosphor beträgt über 99,5 Prozent, die gute Eliminationsleistung der organischen Belastung ist über die über 99-prozentige Minderung des chemischen Sauerstoffbedarfs ersichtlich. Diese erstmalig angewendete Technikkombination kann außer bei weiteren Molkedemineralisierungs- und trockenwerken auch zu Minderung von Gewässerbelastungen durch Abwassereinleitungen in anderen Branchen zum Einsatz kommen, die durch hohe organische Frachten als auch hohen Frachten an einwertigen Ionen gekennzeichnet sind. Als Beispiele sind die Zucker- bzw. Bioethanol- und die Lederherstellung zu nennen. Branche: Nahrungs- und Futtermittel, Getränke, Landwirtschaft Umweltbereich: Wasser / Abwasser Fördernehmer: Hochwald Foods GmbH Bundesland: Hessen Laufzeit: 2014 - 2016 Status: Abgeschlossen

Mechanisch-chemisches Verfahren zum Recyceln von Polyurethanen mit hohen Umsetzungsgeschwindigkeiten bei niedrigen Temperaturen

Mechanisch-chemisches Verfahren zum Recyceln von Polyurethanen mit hohen Umsetzungsgeschwindigkeiten bei niedrigen Temperaturen, Teilprojekt: Entwicklung von Amingemischen und Prozessbedingungen zur schnellen und temperaturschonenden Recyclingverarbeitung von Polyurethanen

Schmelzreaktor zur Aufarbeitung industrieller Reststoffe mit niedrigem Zinkgehalt

In einer Zinksekundaerhuette werden in einem neu entwickelten Schmelzreaktor zinkarme Reststoffe, vorwiegend aus der Zinkmetallurgie, mit Zinkgehalten kleiner 15 Prozent direkt aufgearbeitet. Fluechtige Metalle, hauptsaechlich Zink und Blei werden hierbei in einem oxidischen Filterstaub stark angereichert und die restlichen Bestandteile zu einer als Baustoff verwendbaren Schlacke verschmolzen. Damit wird erstmals ein grosstechnisches, wirtschaftlich arbeitendes Aufarbeitungsverfahren fuer metallarme Vorstoffe fuer die Verhuettung von Nichteisenmetallen geschaffen. Der Schmelzreaktor besteht aus einer wassergekuehlten, zylindrischen Brennkammer mit vertikaler Achse. Er ist durch ein Uebergangsstueck mit dem Schlackenabsetzherd verbunden. Hohe Temperaturen der Schmelze und das bei der unterstoechiometrischen Verbrennung des eingetragenen Kohlenstoffs gebildete CO bewirken, dass das in der Beschickung befindliche Zink als Zinkdampf in die Gasphase uebergeht. Der Zinkdampf wird mit dem Abgasstrom aus dem Reaktor ausgetragen und gelangt nach dem Absetzherd in die Nachverbrennungskammer. Durch Zugabe einer definierten Luftmenge verbrennen Zinkdampf und CO vollstaendig zu Zinkoxid und Kohlendioxid. Die staubhaltigen Abgase (Oxidanfall ca. 6.000 t/a) des Schmelzreaktors werden mittels Gewebefilter entstaubt. Das abgeschiedene Oxid wird fuer den weiteren Transport abgefuellt. Rd. 3.000 t/a Mischoxid werden direkt in die Muffeloefen der Zinksekundaerhuette eingetragen.

Beobachtung von Peroxyradikalen in dem städtischen Wald und Vergleichsübung von Peroxyradikale- Messmethoden

Peroxyradikale sind kurzlebige Spezies, die an den meisten Oxidationsprozessen in der Atmosphäre beteiligt sind, die zur Bildung von langlebigeren und chemisch oder toxikologisch wichtigen Schadstoffen wie Ozon führen. Insbesondere in Gebieten, die von komplexen Emissionsquellen betroffen sind, sind Peroxyradikal-Messmethoden mit ausreichender Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit erforderlich, um die chemische Umwandlung der städtischen Umweltverschmutzung zu verstehen. In dieser Hinsicht ermöglichen Vergleiche von state-of-the-art Sensoren in chemischen Reaktorkammern deren Charakterisierung unter kontrollierten Bedingungen und verbessern das Vertrauen in die Messung von Peroxyradikalen.SPRUCE strebt ein besseres Verständnis der Rolle der Peroxyradikale bei atmosphärischen chemischen Umwandlungen an, die aus der Wechselwirkung zwischen urbanen anthropogenen und ländlichen biogenen Emissionen resultieren. Im Rahmen der vorgeschlagenen Arbeit wird das vorhandene PeRCEAS-Instrument (Peroxy Radical Chemical Enhancement and Absorption Spectrometer) an der Messkampagne des internationalen Projekts ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban Forest) zur Untersuchung des Schadstoffausflusses von Paris über ein Waldgebiet, und in der internationalen Vergleichsstudie ROxCOMP22 für wissenschaftliche Instrumente, die atmosphärische Peroxyradikale teilnehmen. Diese beiden Messkampagnen befassen sich mit zwei Hauptaspekten von SPRUCE. Sie bieten eine einzigartige Gelegenheit für a) die Messung von Peroxyradikalen in der spezifischen Umgebung von Interesse und in Verbindung mit einer umfangreichen Reihe von Beobachtungen, die für die Interpretation der Radikalchemie von wesentlicher Bedeutung sind, und b) die Bewertung der Datenqualität und Leistungsfähigkeit von PeRCEAS, insbesondere die Überprüfung der Sensitivität und Effizienz für die Speziation der Radikale unter kontrollierten Bedingungen.Ein Schwerpunkt der Studie wird auf der Untersuchung von Oxidationsreaktionen und Ozonausbeuten in Luftmassen mit unterschiedlicher anthropogener/biogener Signatur in Abhängigkeit von der Menge und Zusammensetzung von Peroxyradikalen liegen. Numerische Berechnungen und Modelle werden durch die Beobachtungen von Vorläuferspezies eingeschränkt, um die Budgets von Peroxyradikalen abzuschätzen. Der Vergleich mit den PeRCEAS-Messungen wird verwendet, um das Verständnis der Oxidationsmechanismen in urbanen Plumes gemischt mit biogenen Emissionen zu testen. Es wird erwartet, dass die Analyse des resultierenden Datensatzes das aktuelle Wissen über die chemische Transformation von Megacity-Emissionen während des atmosphärischen Transports ergänzt.

Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden

Waermeuebergang in blasenbildenden Wirbelschichten

Die Waermeuebertragung an feinkoernigen Feststoffen kann in blasenbildenden Wirbelschichten erfolgen. Derartige Waermetauscher werden z.B. bei der Verbrennung von Kohle eingesetzt. Zur Einhaltung bestimmter Emissionsgrenzwerte muss die Temperatur der eingesetzten Feststoffpartikeln gezielt eingestellt werden. Dies erfordert eine eingehende Kenntnis ueber den vorliegenden Waermeuebertragungsmechanismus, damit physikalisch sinnvolle Korrelationen fuer den Waermeuebergangskoeffizienten erstellt werden koennen. Derartige Korrelationen sind dann auch fuer geaenderte Stoffsysteme anwendbar, wie sie z.B. in Gas-Feststoff-Reaktoren auftreten. In solchen Reaktoren muss ebenfalls, je nach vorliegenden Reaktionstyp, Waerme zu- oder abgefuehrt werden, um die gewuenschte Reaktionstemperatur einzustellen. Im Forschungsvorhaben wurden an blasenbildenden druckaufgeladenen Wirbelschichten Waermeuebertragungsuntersuchungen durchgefuehrt und das Bewegungsverhalten der Feststoffpartikeln an der Waermetauscherwand analysiert. Basierend auf diesen Untersuchungen konnte fuer einen weiten Bereich von Gas-Feststoff-Kombinationen eine Korrelation fuer den Waermeuebergangskoeffizienten erstellt werden.

Die gepackte Saeule in der aeroben Abwasserreinigung

Zur Reinigung von Abwaessern mit hohen organischen Schadstoffkonzentrationen werden aerobe Hochlastreaktoren eingesetzt. Dabei wird die Leistungssteigerung mit unterschiedlichen Verfahrens- und Reaktortechniken erzielt. Alle Systeme haben gemeinsam, dass bei intensiver Durchmischung mit hoher Turbulenz durch Scherkraefte grosse Phasengrenzflaechen zwischen Substrat/Sauerstoff und Bakterien/Sauerstoff erzeugt werden. Dies verbessert sowohl den Sauerstofftransport als auch den Stoffuebergang. Nach diesen Prinzipien arbeitet auch der Umlaufreaktor mit gepackter Saeule, die aus speziell geformten Keramikteilen besteht. Modelluntersuchungen mit synthetischem Abwasser zeigen, dass dieser Reaktor die Abbauleistung bekannter Hochlastreaktoren erreicht, aber weniger Energie und keine beweglichen Teile benoetigt.

Forschergruppe (FOR) 2401: Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren, Teilprojekt: Chemische Grundlagen für die Modellentwicklung zur Motorenregelung

Das Teilprojekt stellt die chemischen Grundlagen für die Forschergruppe bereit. Es widmet sich der Analyse von Speziesprofilen, die für die Entwicklung und kritische Validierung der reaktionskinetischen Modelle für die motorischen Teilprojekte benötigt werden und die dann in die Regelung einfließen. Diese Analysen sollen vornehmlich unter Niedertemperaturbedingungen an den Surrogatbrennstoffen iso-Oktan (für die GCAI-Verbrennung in TP3) und n-Heptan (für die PCCI-Verbrennung in TP4) in einem Strömungsreaktor erfolgen. Mehrere Teilaspekte stehen im Fokus der reaktionskinetischen Untersuchungen. Für die GCAI-Bedingungen steht die Veränderung der Zündwilligkeit unter Wasserzusatz im Vordergrund. Die Effekte variabler Addition von Wasser zu iso-Oktan sollen für ein Parameterfeld bei unterschiedlichen Bedingungen untersucht werden, um die Grundlagen des Wasserzusatzes auf die Reaktionskinetik im Niedertemperaturbereich zu verstehen und in die Modellbildung zu übertragen. Die geplanten Untersuchungen stellen weitgehend Neuland dar. Zur Unterstützung sollen einige Analysen hierzu auch unter den stabilen Bedingungen vorgemischter ebener Niederdruckflammen stattfinden. Für die Modellbildung im Bereich der PCCI-Verbrennung sind detaillierte Untersuchungen der Bildung von Rußvorläuferspezies im Bereich bis zu etwa vier aromatischen Ringen insbesondere unter Niedertemperaturbedingungen geplant. Während die Reaktionen zur Bildung des ersten aromatischen Ringes als sehr gut verstanden gelten können, weist das grundlegende Verständnis der Bildungskinetik in der molekularen Vorläuferphase bis zu etwa 3-4 aromatischen Ringen noch sehr große Lücken auf. Dieser Phase, an die sich die erste Partikelnukleation zum Beispiel über Dimerisierung der mehrkernigen Aromaten anschließt, kommt innerhalb der Reaktionsketten vom Brennstoffmolekül zum Rußkeim eine große Bedeutung zu. Das entsprechende fundamentale Wissen ist für die Modellentwicklung in TP4 von entscheidender Bedeutung. Die Arbeiten sollen daher auch durch die Untersuchung besonders brennstoffreicher Zonen in einer nicht vorgemischten Flamme unterstützt werden. Für beide motorische Verfahren ist es zudem interessant, die Einflüsse der Zumischung von Abgaskomponenten auf die Reaktionskinetik zu verstehen. Anknüpfend an die Untersuchungen zur Wasserbeimischung sind hierzu einige grundlegende Analysen geplant. Zur Erfassung der Spezies als Funktion der Reaktionsbedingungen sollen an allen Versuchsträgern verschiedene Varianten massenspektrometrischer Verfahren eingesetzt werden, mit denen in der Arbeitsgruppe große Erfahrung vorliegt. Als unterstützende Techniken werden Gaschromatographie sowie Laserverfahren zur Temperaturbestimmung eingesetzt.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1253: Catchments as Reactors: Schadstoffumsatz auf der Landschaftsskala (CAMPOS); Catchments as Reactors: Metabolism of Pollutants on the Landscape Scale (CAMPOS), Sonderforschungsbereich (SFB) 1253: Catchments as Reactors: Schadstoffumsatz auf der Landschaftsskala (CAMPOS)

Das Verhalten anthropogener Schadstoffe im Landschaftsmaßstab stellt eine der größten Herausforderungen heutiger Umweltwissenschaften dar. Forschungsergebnisse der letzten zehn Jahre haben wiederholt gezeigt, dass Umsatzraten von Schadstoffen, die im Labor ermittelt wurden, im Widerspruch zu Feldbeobachtungen stehen. Dies weist darauf hin, dass wir die relevanten Prozesse, die den Schadstoffumsatz in der Natur bestimmen, nur unvollständig verstehen. Entsprechend sind wir nicht in der Lage, zukünftige Entwicklungen der Wasser- und Bodenqualität in Folge des Klima- und Landnutzungswandels zuverlässig vorherzusagen. Der SFB CAMPOS beruht auf der Hypothese, dass auf der Feldskala Prozesse maßgeblich sind, die in Laborexperimenten nur schwer zu erfassen sind. Viele Schadstoffe, die unter Laborbedingungen vergleichsweise schnell abgebaut werden, zeigen eine unerwartete Langlebigkeit im Feld; sie werden in Böden und Grundwasserleitern über lange Zeiträume gespeichert und können noch Jahre, nachdem der anthropogene Eintrag aufgehört hat, nachgewiesen werden. Während wichtige, aber langsame Prozesse in Laborstudien möglicherweise übersehen werden, erschwert die ausgeprägte hydrologische und biogeochemische Dynamik die Interpretation konventioneller Beobachtungskampagnen im Feld. CAMPOS zielt darauf ab, reaktive Landschaftselemente zu identifizieren und ihre Prozessdynamik mit ausführlichen Feldstudien zu biogeochemischen Umsätzen von Schadstoffen in einer beispiellosen Auflösung zu quantifizieren. Derartige Studien sind erst durch den enormen Fortschritt in der Analytik und Messtechnik der letzten Jahre (z.B. substanzspezifische Isotopen- und Enantiomeranalytik, 'non-target screening', Bioanalytik, insitu Sensoren, molekularbiologische Techniken inklusive omics) ermöglicht worden, die bislang noch nicht in gezielten Felduntersuchungen kombiniert wurden. Jedes im SFB vorgesehene Projekt vereinigt Expertise aus unterschiedlichen Disziplinen, die notwendig sind, um den Verbleib von Schadstoffen in der Natur zu verstehen. Die untersuchten Landschaftselemente umfassen Fließgewässer, den Übergang zwischen Gerinnen und dem Untergrund, Transekten im Grundwasser sowie verschiedene Bodenkompartimente. Ein neuer stochastischer Modellieransatz ermöglicht es, den reaktiven Stofftransport im Landschaftsmaßstab prozessbasiert zu modellieren und die damit verbundene Unsicherheit zu quantifizieren. Unser neuartiger multidisziplinärer Ansatz quantifiziert das langfristige Verhalten anthropogener Schadstoffe in der Umwelt, indem Einzugsgebiete als biogeochemische Reaktoren betrachtet werde. CAMPOS trägt somit zum Fortschritt der Umweltwissenschaften bei und schafft die Grundlage für realistischere Projektionen der zukünftigen Boden- und Wasserqualität unter den Bedingungen des Klima- und Landnutzungswandels.

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