DD217786B1

DD217786B1 - Verfahren zur gewinnung von biogas aus guelle

Info

Publication number: DD217786B1
Application number: DD25385183A
Authority: DD
Inventors: Johann Franz; Gerd-Rainer Vollmer; Hans Holzapfel
Original assignee: Leipzig Duengungsforschung
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1983-08-10
Publication date: 1987-11-11
Also published as: DD217786A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung besteht in einer Kombination aerober und anaerober Verfahrensschritte zur Erzeugung von Biogas aus GuIIe, insbesondere von Rinder- und Schweinegulle bei gleichzeitiger Reduzierung unerwünschter Inhaltsstoffe Die Erfindung gehört in das Gebiet der technischen Mikrobiologie und kann in Anlagen der industriellen Tierproduktion sowie allen Anlagen, in denen GuIIe bzw. Klarschlamm anfallen, genutzt werden

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Die bekannten Erfindungsbeschreibungen mit einer Kombination aerober und anaerober Verfahrensschritte haben die Zielstellung der Konditionierung kommunaler Abwasserschlamme

Die in DE 2805054 sowie in der Weiterentwicklung in DE 2844498 dargelegte Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Abbau von Schlamm, bei dem wenigstens ein Teil des Schlammes durch mindestens zwei abgedeckte Abbauzonen geleitet und dabei unter Bildung von stabilisiertem Schlamm und Methangas nacheinander aeroben und anaeroben Bedingungen ausgesetzt wird In der ersten abgedeckten Abbauzone werden der Schlamm und ein mindestens 50 VoI -% Sauerstoff enthaltendes Beluftungsgas eingeleitet, wobei der Schlamm bei einer Temperatur im thermophilen Bereich von 45⁰C bis 75°C gehalten wird Der Einsatz von Sauerstoff als Beluftungsgas ist notwendig, um die Konzentration von Gelostsauerstoff über 2 mg/l zu erreichen sowie die autothermische Erwärmung zu realisieren Bei Einsatz von Luftsauerstoff muß der Schlamm vorgewärmt werden, wozu ein großer Teil des aus der zweiten Abbaustufe anfallenden Methangases notwendig ist Wahrend einer Verweildauer von 4 bis 48 Stunden tritt eine teilweise Verminderung des Gehaltes an biologisch abbaufahigen fluchtigen Schwebstoffen und damit eine Stabilisierung des Schlammes ein

Der tei!stabilisierte Schlamm wird in einer zweiten Abbauzone bei einer Temperatur von 35⁰C bis 40⁰C unter anaeroben Bedingungen ausgefault und dabei biologisch weiter abgebaut

Dieses Verfahren beansprucht bei Einsatz von Luftsauerstoff als Beluftungsgas einen großen Teil des erhaltenen Klargases zur Prozeßfuhrung fur die erste Abbaustufe

Die Bereitstellung eines Beluftungsgases mit einem Sauerstoffanteil von 50VoI -% bis 80VoI -% ist aber mit hohen Aufwendungen verbunden

Auch das in DE-OS 1584958 beschriebene Verfahren hat als technologische Zielstellung die Stabilisierung von Klarschlamm Erfindungsgemaß wird die Zielstellung dadurch gelost, daß der aeroben Schlammstabilisierung eine anaerobe nachgeschaltet ist, um die nach der aeroben Stufe verbleibenden Reste organischer Substanz fast vollständig zu mineralisieren Dabei wird der Klarschlamm nach längerer Belüftung durch mehrere Faulturme geleitet, wobei auch Huminstoffe völlig zersetzt werden sollen

Der Aufwand an Energie fur diese Schlammineralisierung ist erheblich und nur in sehr kleinen Größenordnungen realisierbar Die DD 205877 beschreibt ein Verfahren zum Behandeln von organischen Substraten wie tierischen Abprodukten oder hoch konzentrierten Abwassern durch mikrobiologischen Stoffwechsel Dabei wird das organische Substrat in einem gemeinsamen Reaktionsraum gleichzeitig einer aeroben und einer Behandlung ohno Sauerstoff unterworfen, wodurch die Gewinnung des in der zweiten Stufe entstehenden Biogases nicht möglich wird

Das Ziel besteht dann, den hohen Sauerstoffeintrag fur eine aerobe Schlammstabilisierung zu senken, indem die aerobe Verfahrensstufe in einem Behalter mit einer anaeroben Stufe gekoppelt wird

Durch die Benutzung nur eines Behalters ist es aber notwendig, nur eine geringe Menge Sauerstoff einzutragen, damit der Stoffwechsel der anaeroben Mikroorganismen ermöglicht wird, wodurch das Verfahren auch nur fur hoch konzentrierte Abwasser anwendbar ist

Da durch die anaerobe Stufe keine Energieträger gewonnen werden, arbeitet auch dieses Verfahren mit einem Defizit an Energie, da zum Betreiben des Beluftungsaggregates Energie zugeführt werden muß

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Biogas aus GuIIe mit geringem Trockensubstanzgehalt, wobei durch eine fermentative Vorbehandlung die spezifische Biogasausbeute erheblich erhöht wird und die wahrend der aeroben Vorbehandlung anfallende Warme als Prozeßenergie fur die anaerobe Fermentationsstufe genutzt wird, womit das anfallende Biogas nicht als Prozeßenergie eingesetzt werden muß. Gleichzeitig wird GuIIe von umweltbelastenden Inhaltsstoffen befreit

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die in der GuIIe vorhandenen organischen Inhaltsstoffe maximal fur die mikrobielle Biogassynthese zu nutzen sowie den Aufwand an zuzuführender Prozeßenergie drastisch zu reduzieren Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß die GuIIe vor der eigentlichen anaeroben Garung einer fermentativen Vorbehandlung unter aeroben Bedingungen unterzogen wird Durch diese Vorbehandlung wird eine maximale mikrobielle Biogassynthese bei gleichzeitigen maximalen Abbau organischer und anorganischer Inhaltsstoffe mit Hilfe von Bakterien erreicht Der Abbau der organischen Inhaltsstoffe ist über den BSB₅ bestimmbar und der so ermittelte Abbaugrad kann 90% betragen Durch die aerobe Vorbehandlung werden leicht veratembare Inhaltsstoffe der Gu Me mit Hilfe von Luftsauerstoff zu Kohlendioxid oxydiert, die dabei frei werdende Energie erwärmt die GuIIe in Abhängigkeit von der Sauerstoffzufuhr Durch diese Erwärmung entfallt die Zufuhr externer Prozeßenergie Die dabei fur die Methan bildung nicht mehr verfug bare Menge veratmeter organischer Substanz wird durch den Aufschluß sonst fur die Methanbildung nicht zugänglicher Inhaltsstoffe mehr als kompensiert

Bei der Losung der Aufgabe werden bereits bekannte Elemente aerober und anaerober Gullereinigungstechnologien so kombiniert und weiterentwickelt bzw modifiziert, daß sich insgesamt ein geschlossener Verfahrenszug ergibt.

Jede Fermentationsstufe hat einen spezifischen Anteil am Gesamtprozeß

Der tragende Gedanke der Erfindung ist, eine optimale Biogasproduktion ohne Zusatz externer oder aus dem erzeugten Biogas gewonnener Energieträger (Warmwasser, Dampf ect) zu realisieren und so die Zielstellung nicht nur prinzipiell, sondern auch energiewirtschaftlich und damit ökonomisch akzeptabel zu verwirklichen

In dem erfindungsgemaßen Verfahren erfolgt die Verwertung der Inhaltsstoffe der GuIIe durch eine kontinuierliche Fermentation in 2 Verfahrensschritten Im ersten Abschnitt wird in die GuIIe mittels eines Beluftungsaggregates in einem geschlossenen Behalter intensiv Luftsauerstoff eingetragen, wobei die Konzentration an Gelostsauerstoff maximal 0 5 mg/l betragt, d h der Sauerstoffeintrag limitiert ist Dabei erwärmt sich das Reaktionsmedium auf 30⁰C bis 45⁰C, die Fermentation verlauft im schwach alkalischen Bereich Die Beluftungsintensitat und damit die Warmetonung der Reaktion wird in bestimmten Grenzen geregelt Durch die Wahl eines Rund behalters mit optimalem Verhältnis zwischen Volumen und Oberflache werden Warmeverluste durch Abstrahlungauf ein Mindestmaß reduziert Die aerobe Vorstufe ist mikrobiologisch durch einesynthrophe Misch population mit wirksamen fermentativen Baktenenkulturen gekennzeichnet, die in der zweiten Stufe infolge Sauerstoffmangels absterben und so der Methangarung voll zugänglich werden

Die Prozeßfuhrung der ersten Stufe ist über den Sauerstoffeintrag steuerbar, der aus der Zuluftmenge und der Sauerstoffkonzentration in der Abluft leicht bestimmbar ist

Dabei zeigt sich die überraschende Wirkung, daß die GuIIe in dieser Verfahrensstufe einem Voraufschluß unterzogen wird, d h durch den limitierten Lufteintrag tritt keine Stabilisierung ein

Durch die aerobe Vorbehandlung werden der Methanbildung nicht zugängliche Inhaltsstoffe der GuIIe wie durch Lignin krustierte Zellulosen bakteriell verwertbar, was über den BSB₅ analytisch verfolgt werden kann Durch die hohe mikrobielle Aktivität verliert die GuIIe sofort nach Verlassen des Beluftungsbehalters ihren aeroben Charakter, das heißt, daß das fur die Stoffwechseltatigkeit der Anaerobier der zweiten Verfahrensstufe notwendige sauerstofffreie Milieu durch den „sauerstoffzehrenden" Charakter belüfteter GuIIe voll gewährleistet wird

In der zweiten Stufe werden die organischen Inhaltsstoffe des vorbehandelten Reaktionsmediums durch eine synthrophe Mischkultur fermentativer, acetogener und methanogener Bakterien unter anaeroben Bedingungen im mesophilen Bereich teilweise in Methan und Kohlendioxid umgewandelt

Der Fermentationsprozeß ist gekennzeichnet durch

— eine Temperatur von 3O⁰C bis 45°C fur den ersten Verfahrensschntt

— einen pH-Wert zwischen 7 und 9 fur den ersten Verfahrensschntt

— einer mittleren Verweilzeit von 10 bis 20 Stunden fur den ersten Verfahrensschntt

— einem Sauerstoffeintrag zwischen 0,36kg/m³ Reaktionsvolumen h bis 0,7 kg/m³ h fur den ersten Verfahrensschntt

— einer Konzentration von Gelostsauerstoff von Omg/I bis 0,5mg/l

— eine Temperatur von 24°C bis 36°C, fur die Methanbildung

— e ^en pH-Wert zwischen 7,5 und 9 fur die Methanbildung

— einer Verweilzeit zwischen 5 bis 35 Tagen fur die Methanbildung

Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwartig angewandten Verfahren zur anaeroben Gulleaufbereitung oder Klarschlammfaulung sind

— Höhere spezifische Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Trockensubstanz und damit erhebliche Erhöhung der Effizienz von Biogasanlagen durch aerobe Vorbehandlung

— Drastische Reduzierung des Bedarfs an Prozeßenergie lediglich fur die Antriebsleistung des Beluftungsaggregates sowie von Pumpen und Durchmischungsaggregaten

— Keine zusätzlichen Bauaufwendungen fur die Erzeugung von Warmetragern

— Keine Verluste durch Wärmeübertragung, weil Warmetrager und Substrat in einem Medium vereinigt sind

— Verwendung von Luftsauerstoff fur die aerobe Vorbehandlung

Ausfuhrungsbeispiel

Die im Rahmen des Verfahrensbeispieles eingesetzte GuIIe entstammt einer industriellen Schweinezuchtanlage Die Größenordnung und die Methoden der Tierhaltung einschließlich des angewendeten Futterungsregimes bedingen eine in bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgulle mit Trockensubstanzgehalten zwischen 2,5 und 4% Im Ausfuhrungsbeispiel wird eine Rohgulle mit folgenden Stoffkennwerten eingesetzt TS27,1 g/l, oTS21,0g/l, c_FS5,2g/l, N_K2,4g/l, NH₄ ⁺-N 1,2g/l, BSB₅12,5g/l

Die erste Fermentationsstufe verlauft kontinuierlich bei einer Temperatur von 38°C bis40°C, einem pH-Wert von 7,8 und einer mittleren Verweilzeit von 12 bis 14 Stunden, wobei 0,4 bis 0,5kg Sauerstoff pro Stunde und Kubikmeter Reaktionsmedium eingetragen werden Dazu werden zum Betreiben des Beluftungsaggregates 120 bis 14OkW Elektroenergie benotigt Die Konzentration an Gelostsauerstoff betragt Omg/I Der Fermentorauslauf wird u a durch folgende Parameter beschrieben TS27,0g/l, oTS21,0g/l, c_FS3,5g/l, N_K2,3g/l, NH₄ ⁺-N 1,3g/l, BSB₅15,3g/l Die aerob vorbehandelte GuIIe wird anaerob mit mittleren Verweilzelten im Fermentorvon 10 bis 20 Tagen behandelt Die Fermentation verlauft bei einer Temperatur von 33⁰C und einem pH-Wert von 8,3 bis 8,4

Die Temperatur von 33⁰C wird durch kontinuierlichen Zufluß voraufgeschlossener und dabei erwärmter GuIIe aus der ersten Stufe aufrechterhalten

Fur eine mittlere Verweilzeit von 20 Tagen ist der Fermentorablauf durch folgende Stoffkennwerte gekennzeichnet TS20,6g/l, oTS14,8g/l,c_FS1,4g/l, N_K2,3g/l, NH₄ ⁺-N 1,7g/l, BSB₅1,2g/l

Die spezifische Biogasausbeute betragt 0,59l/g oTS, fur nicht aerob vorbehandelte GuIIe 0,45l/g oTS Der Methananteil im entstehenden Biogas ist 73 bis 74% Der Abbau des BSB₅ fur beide Verfahrensschntte betragt ca 90%

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Gülle, bei dem die Gülle durch mindestens zwei geschlossene Behälter oder einen offenen und einen geschlossenen Behälter geleitet wird und dabei nacheinander aeroben und anaeroben Bedingungen ausgesetzt wird, gekennzeichnet dadurch, daß GuIIe mit einem Trockensubstanzgehalt zwischen 2,5 und 4% in einer ersten Fermentationsstufe mittels Luftsauerstoff belüftet wird bei einem Sauerstoffeintrag von 0,25 bis 1 kg/m³ Reaktionsvolumen und Stunde, wobei die GuIIe auf 25°C bis 50⁰C erwärmt wird und damit ein Voraufschluß der GuIIe bewirkt wird, daß die Verweilzeit in der ersten Stufe 10 bis 20 Stunden betragt, daß die Konzentration an Gelostsauerstoff maximal 0,5 mg/l betragt, daß die GuIIe danach in bekannter Weise anaerob im mesophilen Temperaturbereich weiterbehandelt wird, wobei der Gehaltan organischer Trockensubstanz bis zu 80% reduziert werden kann.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Sauerstoffeintrag in die erste Stufe vorzugsweise 0,36 bis 0,7 kg/m³ Reaktionsmasse und Stunde betragt.