Thomas Uhrig

• Zur Abkehr von fossilen Rohstoffen, wird die Bedeutung der Produktion von Kunststoffen aus alternativen Rohstoffquellen in den kommenden Jahrzehnten zunehmen. In dieser Arbeit wurde daher ein Verfahren untersucht, bei dem Primärschlamm (PS) einer kommunalen Kläranlage (KA) und Brauereiabwasser als Rohstoffe zur Polymerproduktion dienen. Zur Anwendung kam dabei ein dreistufiges Verfahren, mit dem Polyhydroxyalkanoate (PHA), eine Gruppe biologisch abbaubarer Polymere, durch Bakterienmischkulturen wie Überschussschlamm (ÜSS) nach gezielter Selektion und Akkumulation synthetisiert werden können. Als Substrat für diesen Prozess dienen kurzkettigen organischen Säuren (VFA) aus der Versäuerung der Abwasserströme. Das Ziel der Arbeit war, vorhandenes Grundlagenwissen zu erweitern, um den PHA-Produktionsprozess in größere Produktionsmaßstäbe zu skalieren und damit den Betrieb unter realen Bedingungen vorzubereiten. Zur Erreichung dieser Ziele wurde die Arbeit in drei Teile untergliedert. Im ersten Teil konnte im Labormaßstab anhand einer Voruntersuchung und anschließenden Versäuerungsversuchen mit vier Lebensmittelabwässern aufgezeigt werden wie die Eignung potentieller Abwasserströme zur VFA- und PHA-Produktion überprüft werden kann und die Versäuerungsbedingungen in Abhängigkeit der Substratzusammensetzung gezielt an das jeweilige Abwasser gewählt werden können. In einem nächsten Schritt wurde nachgewiesen, dass gleichbleibende Selektionsbedingungen auf ÜSS verschiedener KA zu einer vergleichbaren PHA- Speicherfähigkeit führten. Eine bisher fehlende langfristige Stabilität relevanter Betriebsparameter erfordert jedoch weitergehende Untersuchungen. Weiterhin wurde am Beispiel von Brauereiabwasser gezeigt, dass durch die Anwendung einer niedrigen Raumbelastung in der Selektion der Betrieb mit Abwässern mit einem geringem CSB möglich ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Pilotanlage auf der KA Buchenhofen in Wuppertal mit PS unter möglichst niedrigem Ressourceneinsatz betrieben. Dabei wies der CSBVFA des versäuerten PS eine Jahreszeit-unabhängige große Spanne auf, dennoch war eine ganzjährige Eignung zur PHA-Produktion gegeben. Die VFA- Zusammensetzung war ganzjährig stabil und ermöglichte damit eine gleichbleibende PHA-Zusammensetzung. Die PHA-Speicherfähigkeit konnte in einem Selektionsbetrieb mit niedriger Raumbelastung nicht reproduziert werden. Es wird angenommen, dass Unterschiede des VFA-Anteils im Substrat vorrangig ursächlich waren. Für den dritten Teil der Arbeit wurde aufbauend auf den Ergebnissen des Pilotbetriebs, unter Verzicht auf Hilfsströme, eine verfahrenstechnische Auslegung für die Anschlussgröße der KA Buchenhofen mit 550.000 E durchgeführt. Mit den Ergebnissen konnten die Dimensionen einer PHA-Produktionsanlage eingeordnet werden. Weitergehend wurden bei der Auslegung Ansatzpunkte aufgedeckt, die im versuchstechnischen Betrieb angepasst oder untersucht werden müssen, um eine reale und wirtschaftliche Betriebsweise in der weiteren Prozessentwicklung zu ermöglichen.
• In order to enable a shift away from fossil raw materials, the importance of producing plastics from alternative raw material sources will increase in the coming decades. This work therefore investigated a process in which primary sludge (PS) from a municipal wastewater treatment plant (WWTP) and brewery wastewater serve as raw materials for polymer production. A three-step process was used in which polyhydroxyalkanoates (PHA), a group of biodegradable polymers, can be synthesised by mixed bacterial cultures such as surplus sludge (SS) after a targeted selection and accumulation. Short-chain organic acids (VFA) from the acidification of wastewater streams serve as substrate for this process. The aim of the work was to extend existing basic knowledge with approaches to be considered in order to scale up the PHA production process to larger production scales and thus prepare for operation under real conditions. To achieve these goals, this work was divided into three parts. In the first part, a preliminary investigation and subsequent acidification tests with four wastewater streams from the food industry were used to demonstrate on a laboratory scale how the suitability of potential wastewater streams for VFA and PHA production can be tested, and the acidification conditions can be adapted specifically for the respective wastewater depending on the substrate composition. In a next step, it was demonstrated that consistent selection conditions on SS of different WWTP resulted in a comparable PHA storage capacity. However, the lack of long-term stability of relevant operating parameters requires further investigations. Furthermore, using brewery wastewater as an example, it was shown that selection is possible by applying a low organic loading rate to enable the operation with wastewater with a low COD. In the second part of the work, a pilot plant at the WWTP Buchenhofen in Wuppertal was operated with PS using as few resources as possible. The CODVFA of the acidified PS showed a wide range independent of the season but was still suitable for PHA production all year round. The VFA composition was stable throughout the year and thus enabled a steady PHA composition. PHA storage capacity could not be reproduced in a selection with a low organic loading rate. It is assumed that differences in the VFA content in the substrate were mainly causal. For the third part of the work, based on the results of the pilot operation, a process- engineering design was carried out for the connection size of the WWTP Buchenhofen with 550,000 E, while avoiding the usage of auxiliary flows. With the results, the dimensions of a PHA production plant could be classified. Furthermore, the design revealed approaches that have to be adapted or investigated in the experimental operation in order to enable a real and economic mode of operation in further process development.