Hochschule für Technik und Umwelt FHNW
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Publikation A prototype system for the hydrothermal oxidation of feces(Elsevier, 14.11.2022) Affolter, Joël; Brunner, Thomas; Hagger, Nicola; Vogel, FrédéricTo ensure access to safe sanitation facilities in rural communities, cheap off-grid technologies need to be developed to substitute pit latrines and open defecation. In this study, we present a prototype system based on hydrothermal oxidation, which, under optimal conditions, converts a fecal sludge simulant almost completely to CO2 and water, leaving behind only a carbon-poor aqueous phase with the minerals. The prototype has been designed to process the feces from two households. This technology does not only enable a fast and complete conversion, but is potentially also very energy efficient, as the feed does not require any pre-treatment or drying. The system was found to effectively remove 97–99% of the total organic carbon within a reaction time of 600 s under an external energy demand of roughly 4 kWh per kilogram of wet feces by using the oxygen in air as an oxidant. A total of ten experiments with varying injection pressure, total solids content of the feed, and residence time in the reactor were performed to find experimental settings with high conversion. Only when the residence time was decreased from 600 to 300 s did the conversion fall significantly below 97%. To reach a target value of 99.9% TOC conversion, the reactor temperature and/or the residence time must be increased further. To achieve a system applicable in regions with no connection to the energy grid, the thermal loss of the reactor insulation needs to be lowered further to achieve an overall thermally self-sustaining operation.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Hydrothermale Karbonisierung von Klärschlamm und Gülle im Labormassstab(Hochschule für Technik FHNW, 18.08.2023) Egolf, Tim; Vogel, FrédéricIn der Schweiz entspricht das gesamte jährliche, energetische Potential, welches chemisch in Klärschlamm gebunden ist rund 5 PJ. Bei Gülle und Mist sind es knapp 49 PJ. Da Klärschlamm verbrannt werden muss, wird dieser vorab mechanisch entwässert und teilweise noch thermisch getrocknet. Besonders der zweite Schritt der Trocknung benötigt dabei viel Energie, weshalb alternative Möglichkeiten gesucht werden, den Klärschlamm für die Verbrennung aufzubereiten. Auch für überschüssige Gülle, welche nicht zum Düngen auf landwirtschaftlichen Feldern genutzt werden kann, würde sich eine solche Aufbereitung und anschliessende Nutzung als Brennstoff anbieten. Dies wäre besonders auch interessant, wenn in Zukunft durch vermehrtes Nährstoffrecycling einem Teil der Gülle die Funktion als Düngemittel verloren gehen würde. Ein alternatives Verfahren zur Entwässerung nasser Biomasse stellt die hydrothermale Karbonisierung (HTC) dar. In einem Reaktor wird das Substrat typischerweise bei 200 °C und 20 bar Druck innert weniger Stunden in einen braunkohleartigen Festbrennstoff umgewandelt. Dies gelingt, indem hauptsächlich durch Hydrolyse- und Dehydratisierungsreaktionen chemisch gebundenes Wasser und CO2 von der Biomasse abgeschieden werden. Dabei verringert sich die Molekülgrösse, der Kohlenstoffanteil steigt und damit auch der Brennwert. In einer Reihe von HTC-Batchversuchen mit Klärschlamm und Gülle im Labor wurde die Aufkonzentrierung des Trockensubstanzgehalts der Biomasse sowie deren Ansäuerung mit verdünnter Schwefelsäure untersucht. Dafür wurde ein Labordruckreaktor des Modells «kiloclave» von der Firma Büchi AG verwendet. Im Vordergrund der Untersuchungen stand die energetische Nutzung der erhaltenen Karbonisate. Die Ergebnisse wurden wo möglich jeweils mit Resultaten einer kontinuierlich arbeitenden Pilotanlage der Firma Mehli in Chur verglichen. Dabei musste berücksichtigt werden, dass gewisse Parameter wie zum Beispiel der Trockensubstanzgehalt der Ausgangssubstrate, nicht immer bei beiden Systemen identisch waren. Die Ergebnisse zeigten, dass durch die Trockensubstanz-Aufkonzentrierung mehr Energie von der Ausgangs-Biomasse in das Karbonisat überführt werden konnte, da sich besonders auch mehr Feststoffmasse vom Klärschlamm, beziehungsweise der Gülle im Karbonisat wiederfand. Durch eine Ansäuerung der Biomasse liess sich die Massenausbeute hingegen kaum verbessern. Die Brennwerte der Karbonisate waren über alle Versuche hinweg höher als jene der entsprechenden Ausgangssubstrate. Durch die Aufkonzentrierung und die Ansäuerung konnten jedoch nur kleine Steigerungen erreicht werden. Maximal wurde durch die Ansäuerung auf pH 2.0 eine Steigerung von 1.1 MJ/kg für Karbonisat aus Klärschlamm und 0.3 MJ/kg für Karbonisat aus Gülle erzielt. Daraus wurde abgeleitet, dass sich die Trockensubstanz-Aufkonzentrierung zur energetischen Optimierung des HTC-Karbonisats besser eignet als die Ansäuerung. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sich dadurch auch mehr Organik im Prozesswasser löst und dieses dadurch stärker belastet ist. Es dürfte also auch schwieriger werden, dieses Nebenprodukt für die Einleitung in eine Abwasserreinigungsanlage aufzubereiten. Der Einsatz von Schwefelsäure schien sich zwar für die energetische Optimierung der HTC-Karbonisate nicht zu eignen, jedoch wären hierzu weitere Untersuchungen in Bezug auf die stoffliche Verwertung der Karbonisate interessant. So wurde in einer anderen Studie zum Beispiel eine bessere Löslichkeit von Phosphor in Zusammenhang mit einer Säurezugabe zur Biomasse beobachtet. IV Bei den Verbrennungsversuchen in einem Einzelpelletofen wurde festgestellt, dass der Grenzwert für Stickoxid-Emissionen von Holzfeuerungen mit allen HTC-Karbonisaten deutlich überschritten werden. Der Kohlenstoffmonoxid-Grenzwert wird zwar eingehalten, ist bei den Gülle-Karbonisaten aber um ein Vielfaches höher als bei Holz oder Klärschlamm-Karbonisat. Aus diesen Erkenntnissen lässt sich sagen, dass die untersuchten HTC-Karbonisate nicht für eine herkömmliche Holzfeuerung geeignet sind. Für die Verbrennung sind stickoxidreduzierende Massnahmen nötig wie beispielsweise das Einspritzen von Ammoniak zur Reduktion von NOx zu elementarem Stickstoff. Um die hohen CO-Emissionen bei den Karbonisaten aus Gülle zu senken, könnte zum Beispiel noch eine Abgasrückführung umgesetzt werden, um Kohlenstoffmonoxid in einem zweiten Schritt vollständig zu CO2 zu oxidieren.11 - Studentische ArbeitPublikation Holzvergasung von PU-verleimtem Restholz(Hochschule für Technik FHNW, 24.06.2024) Oester, Marc; Batu, Shevin; Baumann, Mario; Kamber, Sebastian; Wacker, Gian; Mandaliev, Petar; Dr. Horst MatzkeDie Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Verwertung von PU verleimtem Restholz aus der Verarbeitung von Holzprodukten in einem lokalen Holzheizkraftwerk wie der LiPRO Anlage der Flück AG eine vielversprechende und ökologisch sowie ökonomisch sinnvolle Verwertungsmöglichkeit darstellen kann. Das anfallende Restholz unterscheidet sich hinsichtlich der Holzart (hauptsächlich Tanne und Fichte) nicht von naturbelassenen Waldholzhackschnitzeln. Ein Teil des Restholzes enthält Polyurethanleim aus der Verleimung der Holzkomponenten. Bei einer angenommenen Leimfugendicke von durchschnittlich 0.1 mm ergeben sich für die gängigsten Restholzstücke aus dem Abbundbetrieb der Flück AG durchschnittliche Mengen von < 0.6 bis < 11.9 Liter PU-Leim pro Kubikmeter Holz. Eine Vorbehandlung des Holzes bei diesen geringen Mengen PU-Leim zur Entfernung der Leimschicht ist nach heutigem Stand der Technik weder ökologisch noch ökonomisch sinnvoll. Die Auswertung der externen Messungen hat gezeigt, dass bei der Verbrennung und Vergasung von naturbelassenen Holzschnitzeln im Holzheizkraftwerk der Firma Flück AG Emissionswerte resultieren, welche die Vorgaben der LRV deutlich unterschreiten. Für die überwiegende Zahl der Parameter existieren jedoch keine LRV-Grenzwerte für den gemessenen Anlagentyp (siehe Bericht NoxaQuant, Anhang F). Es ist denkbar, dass auch für PU-verleimtes Restholz die Emissionswerte im gesetzlich gegebenen Rahmen bleiben. Dies sollte allerdings für verschiedene Kombinationen von Holzresten überprüft werden.11 - Studentische ArbeitPublikation Fremdstoffe in biogenen Abfällen(Hochschule für Technik FHNW, 24.06.2024) Moser, Lukas; Tschan, Robin; Temperli, Hansjörg; Leber, Michelle; Mandaliev, Petar; Annelies Uebersax, Biomasse SuisseZiel dieser Projektarbeit ist die Hypothese zu prüfen, ob die Verwendung von Compobags einen signifikanten Einfluss auf die Menge und Art der Fremdstoffe hat, sowie eine Aussage zur Qualität des gesammelten Grünguts zu treffen. Der Vergleich zwischen Gemeinden, die Compobags erlauben, und solchen, die sie verbieten, zeigt keine signifikanten Unterschiede. Die erhobenen Daten dieser Projektarbeit weisen keinen Zusammenhang zwischen der Verwendung von Compobags und der Menge von artfremdem Abfall im Grüngut auf. Grundlage dieser Erkenntnisse sind, die von Hand durchsuchten, biogenen Abfälle. Auffällig war, dass in den gesamten 40.4 Tonnen biogenen Abfalls nur zwei Compobags gefunden wurden, die artfremden Abfall enthielten. Dies deutet darauf hin, dass Compobags nicht zur Entsorgung von artfremdem Abfall missbraucht werden. Umgekehrt kann auch nicht festgestellt werden, dass nicht abbaubare Plastiksäcke verwendet werden, um Grüngutabfall zu entsorgen. Ob die verwendeten Plastiksäcke absichtlich, versehentlich oder aus Unwissenheit verwendet wurden, kann dabei nicht gesagt werden. Die biogenen Abfälle wurden auch fotografiert. Ein direkter Vergleich zwischen der Handsortierung und den Fotos kann nicht erstellt werden, weil die Fotos nur eine unbekannte Teilmenge der Handsortierung abbilden. Dennoch ermöglichen die Fotos Rückschlüsse auf die Herkunft des artfremden Abfalls. Es zeigte sich, dass nur wenige, aber stark verschmutzte, Container den Grossteil des artfremden Abfalls und die daraus resultierende Kontaminationsrate ausmachten. Somit hängt ein Grossteil der Verschmutzung nicht mit der Verwendung von Compobags zusammen, sondern ist auf andere Einflussfaktoren zurückzuführen. Die Fotos bestätigten auch die zuvor erstellten Prognosekarten. In Quartieren, für die ein erhöhtes Risiko für artfremden Abfall prognostiziert wurde, wurde tatsächlich ein höherer Anteil an artfremdem Abfall gefunden.11 - Studentische ArbeitPublikation Der Grüngutscanner in der kommunalen Grüngutsammlung(Hochschule für Technik FHNW, 20.08.2021) Uhlmann, Philipp; Mandaliev, Petar; Biomasse SuisseDurch eine Umfrage in zehn Gemeinden in der Deutschschweiz und der Romandie, sollte die Meinung der Bevölkerung zum Grüngutscanner und den Begleitmassnahmen evaluiert werden, um daraus abzuleiten, wie der Scanner am besten eingesetzt werden soll, ohne dass die gesammelte Grüngutmenge signifikant zurückgeht. Zudem wurde der Status Quo des Scanners in der kommunalen Grüngutsammlung untersucht und mögliche Chancen und Grenzen für den Einsatz des Scanners im schweizerischen Gemeindestand diskutiert, um weitere Empfehlungen für die Zukunft des Scanners daraus abzuleiten.11 - Studentische ArbeitPublikation Relevanz verschiedener Einflussfaktoren auf den Fremdstoffgehalt von Grüngut aus Haushalten(Hochschule für Technik FHNW, 06.08.2022) Mandaliev, Petar; Dietiker, Raphael; Mandaliev, Petar; Biomasse SuisseDer Grundgedanke der Kreislaufwirtschaft fördert die getrennte Sammlung von biogenen Ab-fällen. In der Schweiz ist es gesetzlich gefordert, diese Abfälle zu sammeln und zu verwerten. Vergärungs- und Kompostieranlagen produzieren organischen Recyclingdünger, der in der Landwirtschaft und im Gartenbau eingesetzt werden kann. Bei der Vergärung kann zusätzlich erneuerbare Energie in Form von Gas oder Strom hergestellt werden. Als grösster Input für die Verwertungsanlagen sind national die kommunalen Sammeldienste verantwortlich. Die bi-ogenen Abfälle aus privaten Haushalten machen dabei einen Grossteil aus. Der Fremdstoff-anteil in den Produkten aus Vergärungs- und Kompostierprozessen stellt ein Problem für An-lagenbetreiber und Natur dar. Ein Teil der Abfallentsorgerinnen und Abfallentsorger versteht nicht, dass mit der Fremdstoffentfernung im Grüngut grosse manuelle und technischen Her-ausforderungen einher gehen. Sie entsorgen anstelle von biogenem Material Fremdstoffe wie Kunststoffe etc. im grünen Kübel. Trotz der Entwicklung der Digitalisierung und Automatisie-rung werden im Alltag der Anlagenbetreiber nach wie vor Fremdstoffe in biogenen Abfällen von Hand aussortiert. Auf diese Weise kann ein Weiterleiten von Fremdstoffanteilen in die nachfolgenden Prozesse nicht absolut ausgeschlossen werden. Kompostier- sowie Vergä-rungsanlagen sind daher auf einen möglichst sauberen Input angewiesen.11 - Studentische ArbeitPublikation Makro- und Mikrokunststoffuntersuchungen in Kompost mittels hyperspektraler Bildgebung(Hochschule für Technik FHNW, 15.09.2022) Mandaliev, Petar; Schreiber, Raffael Michael; Mandaliev, Petar; Epyxs GmbHIm vorhergehenden Projekt EUT-P5bb-RS-HS20 wurde die Tauglichkeit von hyperspektraler Bildgebung zur Identifikation von Mikro- und Makroplastik in Kompost untersucht. Dafür wurde ein neuronales Netzwerk mit hyperspektralen Daten von Referenzkunststoffen der Typen Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET) trainiert. Mit diesem Netzwerk konnten Körner der Referenzkunststoffe erfolgreich in Kompostproben erkannt werden. Das Netzwerk konnte die meisten Alltagskunststoffe aber nicht korrekt identifizieren. Ziel dieser Arbeit war es also zu untersuchen, ob sich die Methode aus dem vorhergehenden Projekt auch zur Erkennung von Alltagskunststoffen aus der Kompostanlage eignet. Daher wurden solche Kunststoffe analysiert, um die Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die hyperspektrale Bildgebung zu untersuchen und mögliche Preprocessing-Schritte zur Kompensation zu definieren.11 - Studentische ArbeitPublikation Kreislaufwirtschaft - Die Zukunft ist zirkulär(Hochschule für Technik FHNW, 17.12.2021) Domenig, Fabio; Fitze, Curdin Andri; Mechan, Jeremiel Ollantay; Zaugg, Samuel; Mandaliev, PetarDie Entwicklung unserer Gesellschaft geht Hand in Hand mit einer steigenden Abfallproduktion. Viele Länder setzen deshalb Kehrichtverbrennungsanlagen ein, welche nicht nur das Volumen des Kehrichts reduziert, sondern dabei auch Strom und Fernwärme produzieren. Was vom Abfall danach übrig bleibt ist KVA-Schlacke, welche nun ihrerseits die Deponien füllt. Um dem Platzmangel in den Deponien Herr zu werden, gibt es Bestrebungen, die Schlacke anderweitig unterzubringen und einen Nutzen aus ihr zu ziehen. Dazu zählen vor allem die Verwendung der Schlacke als Gesteinskörnung im Tief- und Strassenbau und ihre Verwendung in der Zement- und Betonherstellung, wobei in ersterer Anwendung anderen, chemisch unbelasteten Abfällen, wie zum Beispiel unverschmutztes Aushubmaterial, Vorrang gegeben wird. Dazu muss die Schlacke gewisse chemische und physische Voraussetzungen erfüllen. Diese werden zusammen mit den rechtlichen Grundlagen bezüglich der Verwendung von KVA-Schlacke in diesem Bericht untersucht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Schadstoffgrenzwerte im Zusammenhang mit der Verwendung im Tief- und Strassenbau und in der Zement- und Betonherstellung gerichtet. KVA-Schlacke enthält noch viele Wertstoffe, wie unter anderem Eisen und Aluminium. Um diese Stoffe neben den herkömmlichen Trennmethoden noch effizienter und vollständiger zu extrahieren, wird das SELFRAG-Verfahren angewendet. Dieses Verfahren reduziert das Volumen der Schlacke durch die Entfernung verschiedener Bestandteile noch weiter und verändert ihre stoffliche Zusammensetzung. Diese veränderte Restschlacke wird ebenfalls auf ihre Verwendungsmöglichkeiten untersucht.11 - Studentische ArbeitPublikation PFAS - Forever Chemicals(Hochschule für Technik FHNW, 10.06.2022) Aras, Deniz; Walser, Severin; Bieri, Alex; Domenig, Fabio; Moor, Jan Max; Mandaliev, PetarPer- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a group of synthetic fluorinated compounds. Today more than 4’700 PFAS molecules are known. These chemicals have a high resistance and physical sta-bility. They repel water, dirt, and grease. Due to these properties they are used in a wide range of prod-ucts, from ski-wax and waterproof textiles to fire extinguishers and food packaging. PFAS are the most persistent synthetic chemicals. They do not occur in nature, and they hardly degrade in nature. There-fore they are called “Forever Chemicals”. The number of PFAS detections in the environment and in various organisms worldwide is increasing. The recognition of their bioaccumulative properties, their high mobility and their adverse effects on biological systems has led and is still leading to a regulation of multiple PFAS molecules. The response of the industry was the introduction of other PFAS as substi-tutes, which are now themselves increasingly detected in the environment. Worrying is that the list of negative health effects from an exposure to PFAS is becoming longer every year.11 - Studentische ArbeitPublikation Nachweis von UV Tracern mit einem Smartphone(Hochschule für Technik FHNW, 03.06.2022) Schwendimann, Yannick; Neuenschwander, Luca; Borioli, Joël; Waldmeier, Jonas; Mandaliev, PetarIn dieser Projektarbeit wurde untersucht, ob UV-Tracer in Pflanzenschutzmittel mittels Smartphonekamera detektiert werden können. Hauptziel dieser Arbeit war es, eine Machbarkeitsstudie anzufertigen, die Ergebnisse sollen als Grundlage für weitere Versuche in diesem Bereich dienen.11 - Studentische Arbeit