DD232685A1 - Verfahren zur schwefelwasserstofffreien biogaserzeugung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schwefelwasserstofffreien Biogaserzeugung. Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung des Methanbakterienverlustes im Uebergangsbereich zwischen der Saeure- und Methanphase, der Reduzierung der Schwefelwasserstoffanreicherung im nutzbaren Biogas, in der Verringerung der erforderlichen Faulraeume und in der Vermeidung der Schwimmdeckenbildung bei Einsparung von Material, Energie, Kosten und der Verbesserung der Montierbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und der Betriebssicherheit. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die Substratstoffe innerhalb der Saeurephase eine Aufwaertsstroemung vollziehen, waehrend der der im Substrat sich bildende und geloeste Schwefelwasserstoff durch staendige Druckentlastung desorbiert wird, dieser anschliessend gesondert gespeichert und das Substrat dann der Methanphase zugefuehrt wird, wobei gleichzeitig aktives Substrat aus der Methanphase in die Saeurephase zurueckgefuehrt wird. Das erfindungsgemaesse Verfahren wird besonders zur Behandlung organischer Substanzen eingesetzt. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schwefelwasserstoffreien Biogaserzeugung, bei dem die Hydrolyse und Säurefermentation einerseits und die Methanfermentation andererseits in getrennten Prozeßstufen ablaufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders zur Behandlung tierischer, pflanzlicher und/oder kommunaler Biomasse eingesetzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt. Biogas in Durchlaufreaktoren zu erzeugen. Dieses bekannte Verfahren arbeitet meistens einstufig, wobei das Substrat durchmischt wird. Dabei laufen die biotechnologischen Prozesse in einem Raum unter gleichen physikalischen Bedingungen ab, nämiich die hydrolytische, säurebildende und methanbildende Prozeßphase.

Zunächst werden die hochmolekularen organischen Verbindungen hydrolytisch aufgeschlossen, die Reaktionsprodukte durch Mikroorganismen in niedere organische Säuren bis hin zur Essigsäure überführt, wobei Wasserstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff gebildet wird. Danach werden die Reaktionsprodukte wiederum durch Mikroorganismen bis zum Methan und Kohlendioxid abgebaut. Die einzelnen Prozeßphasen müssen immer im Gleichgewicht stehen. Beim einstufigen Verfahren sind damit aber keine optimalen Lebensbedingungen der Bakterienstämme vorhanden.

Es ist weiterhin bekannt, die Phasen in eine Säure-und Methanphase zu trennen (Gas-Wärme international 31 (1982) 12, S. 576 bis 586). Der dazu verwendete Reaktor besteht aus konzentrisch ineinander gestellte Reaktorräume, wobei der äußere Ringraum die Säurephase und der innere kreiszylinderförmige Raum die Methanphase aufnimmt. Im Raum für die Säurephase erfolgt der hydrolytische Aufschluß der hochmolekularen organischen Verbindungen und die Säurebildung bis hin zur Essigsäure. Beide Reaktorräume sind substratseitig über den nach unten geöffneten inneren Reaktorraum miteinander verbunden. Die erforderliche Verweilzeit für die Methanphase muß je nach Art und Zusammensetzung der Biomasse immer ein Mehrfaches von der Verweilzeit für die Säurephase betragen. Dies führt zu großen Durchmessern des inneren Reaktors, was den Materialverbrauch beträchtlich erhöht. Weiterhin entsteht dadurch ein relativ kleiner radialer Abstand zwischen den beiden zylindrischen koaxialen Reaktorräumen. Der entstehende schmale Ringraum beeinträchtigt die Zugänglichkeit, wodurch die Montage- Korrosionsschutzarbeiten erschwert werden.

Infolge der großen Verbindungsfläche zwischen den beiden Reaktorräumen am unteren Teil des Innenzylinders entsteht ein großer Übergangsbereich zwischen den beiden Phasen, die durch pH-Werte von 5,5 bis 6,0 für die Säurephase bzw. pH-Werte von 7,0 bis 7,5 für die Methanphase charakterisiert sind. Das bedeutet einen erheblichen Verlust an Methanbakterien, weil diese bei einem pH-Wert von weniger als 6,5 absterben, was den Rückfall in ein einstufiges Verfahren zur Folge hat. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil dieser bekannten technischen Lösung ist der Substratströmungsweg. In der Säurephase erfolgt die Substratströmung von oben nach unten. Die dabei ablaufenden mikrowellen Reaktionen führen u.a. zur Bildung von Schwefelwasserstoff, dessen physikalische Löslichkeit mit zunehmendem Druck entscheidend zunimmt. Dadurch wird ein erheblicher Anteil des gebildeten Schwefelwasserstoffes in gelöster Form in die Methanphase eingetragen. Durch das aufwärtsströmende Substrat in der Methanphase erfolgt aber eine Druckentlastung und damit eine Desorption des Schwefelwasserstoffes. Die Entgasung bringt diesen in den Gassammeiraum für das Biogas, wodurch eine nachträgliche Aufbereitung des Biogases erforderlich wird.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösung besteht in der erschwerten Beseitigung der Schwimmdeckenbildung infolge des schmalen Ringraumes. Aufwendige Spüleinrichtungen mit entsprechenden Abläufen oder andere mechanische Vorrichtungen sind die Folge.

Aus dem DE-GM 8326116 ist eine Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Substraten mit organischen Stoffen zur Erzeugung von Biogas bekannt. Diese bekannte technische Lösung weist einen inneren und äußeren Reaktorraum auf. Im inneren und äußeren Reaktorraum ist eine mechanische bzw. hydraulische Umwälzeinrichtung angeordnet. Der innere Reaktorraum, der vom äußeren umhüllt ist, wird über eine in seiner Achse befindliche Fülleitung von oben befüllt. Diese Fülleitung ist an ihrem oberen Ende als Strahlpumpe ausgebildet und von einem beheizbaren Doppelmantelrohr umgeben. Bei der Beschickung des inneren Reaktorraumes mit Substrat erfolgt eine mechanische Umwälzung des im hohen Maße Belebtschlamm enthaltenen Substrates. Diese Umwälzung wird durch die Thermik noch verstärkt.

Den unteren Abschluß des inneren Reaktorraumes bildet ein mit seiner Spitze nach oben gerichteter Kegelboden. Zwischen diesem und dem den inneren Reaktorraum umhüllenden Doppelmantelrohr verbleibt ein Ringspalt, durch den das Substrat über eine unten geöffnete Zwischenringkammer in den äußeren Reaktorraum gelangt. Durch das den inneren Reaktorraum umhüllende Doppelmantelrohr wird Biogas eingespeist, das über einen Mischinjektor in der Zwischenringkammer eine Zwei-Phasen-Strömung ermöglicht und dadurch eine Umwälzung des Substrates im zweiten Reaktorraum vollzieht. Ein im unteren Teil der Zwischenringkarnmer angeordneter Wärmeübertrager verstärkt infolge der thermischen Zirkulation den Umwälzvorgang.

Durch die Substratumwäizung im inneren Reaktorraum wird zwar die Anreicherung des Schwefelwasserstoffes im Substrat beim Eintritt in den äußeren Reaktorraum entsprechend vermindert, aber die Umwälzung ist im starken Maße von der Konstanz der Substratzufuhr abhangig. Die Teillastfahrweise, wie sie oftmals bei der Bereitstellung von Biomasse vorzufinden ist, führt letztlich wiederum zur Anreicherung des Schwefelwasserstoffes im nutzbaren Biogas. Des weiteren werden für eine wirksame thermische Zirkulation auf der Grundlage der mit den beschriebenen Wärmetauschern übertragenen Wärme auf das Substrat unzulässig hohe Temperaturgradienten wirksam, die vor allem in der Zwischenringkammer zu einem Absterben der Mpthanhaktpripn fi'ihrpn

larüber hinaus besteht ein weiterer Nachteil darin, daß zur Erreichung einer Zwei-Phasen-Strömung in der iwischenringkammer ein großer Energiebedarf entsteht, der durch die notwendige Verdichtung der Gasströme im großen [reisringquerschnitt verursacht wird.

leim Ausströmen des Biogases aus der Mischdüse in die Zwischenringkammer entstehen bei Druckschwankungen Gasverluste urch das Einströmen in den inneren Reaktorraum.

On Nachteil ist weiterhin, daß der Feststoffaustrag aus dem Bodenbereich des äußeren Reaktorraumes erschwert ist, was aber ie Gefahr der Feststoffanreicherung im Bereich der unteren Öffnung der Zwischenringkammer erhöht und letztlich zu 'erstopfungen und zur Unwirksamkeit der Substratumwälzung im äußeren Reaktorraum führt.

lachteilig ist auch, daß im inneren Reaktorraum gegen die Schwimmdeckenbildung nur die Strahlpumpe wirkt. Die Bildung iner Schwimmdecke ist damit kaum zu verhindern und eine bereits gebildete Schwimmdecke ist mit einem solchen Mittel nicht lehr zu zerstören.

las DE-GM 8211869 beschreibt eine Lösung, in der zur Erzeugung des Biogases der Faulraum in einen ersten und zweiten :aumbereich aufgeteilt wird. Die Aufteilung des Faulraumes ermöglicht die getrennte Ableitung der in den Vorgärstufen nfallenden Gase. Der erste Raumbereich ist im Zentrum des Gesamtfaulraumes angeordnet und wird vom zweiten aumbereich umhüllt. Er ragt über den umhüllenden zweiten Raumbereich hinaus und enthält einen Einfüllstutzen, der sich ntweder oberhalb des zweiten Raumbereiches befindet oder durch diesen hindurchführt. Des weiteren befindet sich in Höhe es Einfüllstutzens im ersten Raumbereich eine Rühreinrichtung und zur Förderung von Feststoffen aus dem Bodenbereich des aulraumes ein drehbares Rohr mit Gestänge, das den Austrag direkt oder mittels einer Schnecke ermöglicht. Der Austrag des usgefaulten Substrates erfolgt im zweiten Raumbereich oben über ein getauchtes Rohr.

liese bekannte Lösung nach DE-GM 8211869 hat den Nachteil, daß infolge des Strömungsweges des auszufaulenden ubstrates von oben nach unten Schwefelwasserstoffanreicherungen im nutzbaren Biogas entstehen, die eine aufwendige lUfbereitung des Biogases erfordern.

liese bekannte technische Lösung hat weiterhin den Nachteil, daß eine große Übergangsphase zwischen dem ersten und dem weiten Raumbereich vorhanden ist, wodurch erhebliche Mengen an Methanbakterien absterben.

in weiterer Nachteil ergibt sich aus den beträchtlichen Energieaufwendungen beim Betrieb der Einrichtungen. Infolge der benen Gestaltung des Bodens der Raumbereiche entstehen Transportaufwendungen für den Feststofftransport vom ,ußenbereich des Bodens zu der in der Achse des ersten Raumbereiches befindlichen Austragseinrichtung sowie für den /eitertransport durch dieselbe bis oberhalb des ersten Raumbereiches.

ür die Vermeidung der Schwimmdeckenbildung bzw. deren Beseitigung im ersten Raumbereich ist ein Rührwerk vorhanden, as erfahrungsgemäß dazu nicht ausreicht. Zusätzliche energetische Maßnahmen sind die Folge.

us der DE-OS 3232530 ist eine technische Lösung bekannt, bei der die Phasentrennung ebenfalls durchgeführt wird und bei der ie Räume der Methanfermentation Führungen aus porösem Material enthalten, die eine Anreicherung von Mikroorganismen estatten. Ein im Zentrum liegender Reaktionsraum für die Säurephase wird von einem Raum oder mehreren Räumen für die lethanphase umgeben. Für den Methanphasenreaktionsraum werden entweder separate vertikale oder horizontale reiszylinderförmige Räume angewendet, die mittels absperrbarer Rohrleitungen mit dem Reaktionsraum für die Säurephase erbunden sind und es ist ein oder es sind mehrere Methanphasenreaktionsräume um den Säureraum konzentrisch ngeordnet.

er Reaktionsraum für die Säurephase wird auch bei dieser bekannten technischen Lösung von oben nach unten durchströmt, 'as wiederum zur Schwefelwasserstoffanreicherung im Biogas führt.

in weiterer Nachteil besteht darin, daß die Schwimmdeckenbildung im Reaktionsraum der Methanphase nicht vermeidbar ist nd ihre Beseitigung einen großen apparativen und energetischen Aufwand erfordert.

esonders die konzentrische Anordnung mehrerer Methanphasenreaktionsräume erhöht die Gefahr von Verstopfungen im ubstratfluß und damit der Beschädigung der porösen Führungselemente. Des weitern haben diese bekannten Vorrichtungen en Nachteil, daß durch die ebene Ausführung der unteren Begrenzung der Reaktionsräume erhebliche Probleme bei der chlammentnahme entstehen. Schlammanreicherungen im Bereich der Umlenkungen verursachen dazu noch Verstopfungen, ie Beschädigungen an den porösen Führungen hervorrufen. Die zwangsweise Außerbetriebnahme der Vorrichtung ist die

iel der Erfindung

as Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung des Methanbakterienverlustes im Übergangsbereich zwischen der Säure-und lethanphase, der Reduzierung der Schwefelwasserstoffanreicherung im nutzbaren Biogas, in der Verringerung der rforderlichen Faulräume und in der Vermeidung der Schwimmdeckenbildung bei Einsparung von Material, Energie, Kosten nd der Verbesserung der Montierbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und der Betriebssicherheit.

arlegung des Wesens der Erfindung

er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Eintrag des Schwefelwasserstoffes in die Methanphase zu verhindern und die esamtverweilzeit im Reaktor herabzusetzen.

rfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Substratstoffe innerhalb der Säurephase eine Aufwärtsströmung ollziehen, während der der im Substrat sich bildende und gelöste Schwefelwasserstoff durch ständige Druckentlastung esorbiertwird, dieser anschließend gesondert gespeichert und das von Schwefelwasserstoff befreite Substrat der lethanphase zugeführt wird, wobei gleichzeitig aktives Substrat aus der Methanphase in die Säurephase zurückgeführt wird.

ie technisch-ökonomischen Auswirkungen der Erfindung bestehen in der Verringerung der Methanbakterienverluste im bergangsbereich zwischen der Säure- und Methanphase.

as erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Reduzierung der Schwefelwasserstoffanreicherung im nutzbaren Biogas und srmeidet die Schwimmdeckenbildung. Dies führt zur Einsparung von Material, Energie und Kosten sowie zur Verbesserung der lontierbarkeit des Reaktors, der Wartungsfreundlichkeit und der Betriebssicherheit der Reaktoren.

as erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich ferner dadurch aus, daß es eine geringere Verweilzeit des Substrates im Reaktor estattet. Des weiteren können die erforderlichen Faulräume verkleinert werden.

-3- /Ί4-4Ο

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Bioreaktors, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

Dieser Reaktor besteht aus einem im Zentrum angeordneten inneren Reaktorraum 1, der von einem äußeren Reaktorraum 2 konzentrisch umgeben ist. Die Begrenzung des inneren Reaktorraumes 1 ist an seinem Umfang durch einen zylindrischen Mantel 3, einen mit seiner Spitze nach unten gerichteten Kegelboden 4 und durch den Gassammeiraum 5 gegeben. Der innere Reaktorraum 1 ist durch den Ringspalt 6 mit dem äußeren Reaktorraum 2 verbunden. Der Ringspalt 6 ist im oberen Teil des zylindrischen Mantels 3 angeordnet und ragt als ein entgegen der Strömungsrichtung des Substrates geöffnet ausgebildete Kegelstumpf 7 in das Innere des Reaktorraumes 1.

Oberhalb des umhüllenden äußeren Reaktorraumes 2 befindet sich der Gassammeiraum 8. Die Gassammeiräume 5 und 8 sind durch den zylindrischen Mantel 3 gasdicht voneinander getrennt. Die getrennte Gasentnahme aus den Gassammeiräumen 5 und 8 wird durch die Gasentnahmeleitungen 9 und 10 gewährleistet.

Oberhalb des inneren Reaktorraumes 1 im Gassammeiraum 5 sind mehrere Spülrohre 11 angeordnet. In der Achse des inneren Reaktorraumes 1 ist in Höhe der Substratoberfläche ein Überlauftrichter 12 für die Schwimmschlammentnahme vorgesehen, dessen Entnahmeleitung oberhalb des Ringspaltes 6 durch den zylindrischen Mantel 3 in den äußeren Reaktorraum 2 und von dort nach außen führt.

In den inneren Reaktorraum 1 führt ein parallel zur Reaktorachse angeordnetes Substrattauch rohr 13, das im unteren Bereich des Reaktorraumes 1 endet.

Der Boden 4des Reaktorraumes 1 ist als ein mit der Spitze nach unten gerichteter Kegel ausgebildet. Ebenso ist der Boden 15 des Reaktorraumes 2 ausgebildet.

An der tiefsten Stelle des Bodens 4 befindet sich eine Feststoffentnahmeleitung 16. Zur Unterstützung der Feststoffentnahme sind im Boden 4 mehrere gleichmäßig verteilte Spülrohre 17 vorgesehen. Die Begrenzung des äußeren Reaktorraumes 2 ist an seinem Umfang durch den Zylindermantel 14, den Boden 15, den Gassammeiraum 8 und gegenüber dem Reaktorraum 1 durch den zylindrischen Mantel 3 und den Boden 4 gegeben.

An der tiefsten Stelle des Bodens 15 befindet sich eine Feststoffentnahmeleitung 20. Mehrere Spülrohre 18 sind im Boden 15 angeordnet. Die für die Spülungen erforderlichen Substratmengen werden aus dem Bereich des äußeren Reaktorraumes 2 über die Entnahmeleitung 21 entnommen.

Die Zuführung des Substrates erfolgt so, daß das Substrat durch das Substrattauchrohr 13 in den Bodenbereich des inneren Reaktorraumes 1 gedrückt wird. Dabei vollzieht das Substrat nach Verlassen des Substrattauchrohres 13 eine ungehinderte Aufwärtsströmung. In diesem Bereich laufen die Reaktionen der Hydrolyse und der Säurefermentation ab. Der als Reaktionsprodukt in der Säurephase entstandene und im Substrat gelöste Schwefelwasserstoff wird infolge der mit der Aufwärtsströmung des Substrates einhergehenden Druckreduzierung desorbiert. Der entweichende Schwefelwasserstoff wird in dem oberhalb des Reaktorraumes 1 befindlichen Gassammeiraum 5 aufgefangen und gespeichert bzw. über die Entnahmeleitung 9 abgezogen. Das von Schwefelwasserstoff weitgehend befreite Substrat wird dann der Methanphase zugeführt, in dem das Substrat durch den Ringspalt in den äußeren Reaktorraum 2 eintritt. Dabei erfolgt eine Umlenkung der Strömungsrichtung, so daß das Substrat in der Methanphase eine Abwärtsströmung vollzieht.

Die Substratthomogenisierung im oberen Bereich des Reaktorraumes 1 und die Beseitigung von Schwimmschlamm wird durch die Spülrohre 11 vorgenommen. Dazu wird ausgefaultes Substrat aus dem unteren Bereich des äußeren Reaktorraumes 2 verwendet.

Eventuelle Reste des Schwimmschlammes werden in den in der Achse des Reaktorraumes 1 an der Substratoberfläche angeordneten Überlauftrichter 12 hineingespült und aus dem inneren Reaktorraum 1 ausgeschleust.

Die Feststoffentnahme aus dem inneren Reaktorraum 1 wird durch vorherige Substrateinspülung über die Spülrohre 17 unterstützt. Die sich im äußeren Reaktorraum 2 bildenden gasförmigen Reaktionsprodukte Methan und Kohlendioxid werden im Gassammeiraum 8 gespeichert.

Zur Unterstützung des Schlammabzuges aus dem äußeren Reaktorraum 2 erfolgt vorher eine Spülung des Bodenbereiches des Bodens 15 mitausgefaultem Substrat über die Spülrohre 18.

Der Abzug des ausgefaulten Substrates geschieht über die Entnahmeleitung 19. Für die Ableitung des Biogases befindet sich am Gassammeiraum 8 die Gasentnahmeleitung 10.

Beispiel 1

Bei der anaeroben Aufbereitung von kommunalem Abwasserschlamm soll für die organische Trockensubstanz eine Abbaurate von 40% erreicht und bei hoher Raumbelastung des Reaktors von <10d methanreiches und nahezu schwefelwasserstofffreies Biogas erzeugt werden. Die Schwefelwasserstoffkonzentration im nutzbaren Biogas soll weniger als 0,02 Vol.-% betragen. Untersucht wurde die zweistufige Fermentation im mesophilen Temperaturbereich (33 bis 35°C). Der Abwasserschlamm enthielt eine Trockensubstanzkonzentration von durchschnittlich 75 kg/m³. Bei durchschnittlichen Substrat-pH-Werten für die Säurephase von 5,9 und für die Methanphase von 7,2 sowie bei Teilverweilzeiten für die Säurephase (innerer Reaktorraum) von 1,17d und

Methanphase (äußerer Reaktorraum) von 7,13d

wurde eine Abbaurate für die organische Trockensubstanz von 42% erreicht

Die Methanproduktionsrate erreichte Werte bis zu 3,0m³/d.m³ Reaktorvolumen. Das produzierte nutzbare Biogas hatte folgende Zusammensetzung

CH₄ 67,0 bis 78,0 Vol.-%

CO₂ 23,0 bis 34,0 Vol.-%

N₂ 0„3bis 1,8 Vol.-%

H₂S weniger als 0,016Vol.-%.

Die H₂S-Konzentration lag im ppm-Bereich.

Beispiel 2

Bei der Aufbereitung von Hühnergülle soll für die organische Trockensubstanz eine Abbaurate von mehr als 40% erreicht und bei hoher Raumbelastung des Reaktors von < 10d ein methanreiches, nahezu schwefelwasserstofffreies Biogas erzeugt werden. Die Schwefelwasserstoffkonzentration soll 0,02VoI.-% nicht übersteigen.

Unter den gleichen Prozeßparametern wie im Beispiel 1 wurde eine Abbaurate von 42% für die organische Trockensubstanz 3rzielt. Die Methanproduktionsrate erreichte Werte von 3,4m³/d.m³ Reaktorvolumen. Die Methankonzentration lag bei 62 bis 77Vol.-% und der H₂S-Gehalt überschritt nicht 0,018Vol.-%.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch: "

   Verfahren zurschwefelwasserstoffreien Biogaserzeugung, bei dem die Hydrolyse und Säurefermentation einerseits und die Methanfermentation andererseits in getrennten Prozeßstufen ablaufen, gekennzeichnet dadurch, daß die Substratstoffe innerhalb der Säurephase eine Aufwärtsströmung vollziehen, während der der im Substrat sich bildende und gelöste Schwefelwasserstoff durch ständige Druckentlastung desorbiert wird, dieser anschließend gesondert gespeichert und das von Schwefelwasserstoff befreite Substrat der Methanphase zugeführt wird, wobei gleichzeitig aktives Substrat aus der Methanphase in die Säurephase zurückgeführt wird.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung