DD232685A1

DD232685A1 - PROCESS FOR SULFUR HYDROGEN-FREE BIOGAS PRODUCTION

Info

Publication number: DD232685A1
Application number: DD84271446A
Authority: DD
Inventors: Bernd Kurzmann; Dietmar Grund
Original assignee: Fuerstenwalde Chem Tankanlagen
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1986-02-05

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. FigurThe invention relates to a method for hydrogen sulfide-free biogas production. The object of the invention is to reduce methane bacteria loss in the transition region between the acid and methane phases, to reduce the hydrogen sulphide accumulation in the usable biogas, to reduce the required fouling space and to avoid floating scum formation while saving material, energy, costs and improvement mountability, ease of maintenance and operational safety. This goal is achieved in that the substrate substances perform an upstream flow within the acid phase, during which the hydrogen sulfide which forms and dissolves in the substrate is desorbed by constant pressure relief, which is then stored separately and the substrate is then fed to the methane phase, at the same time active substrate the methane phase is returned to the acid phase. The process according to the invention is used especially for the treatment of organic substances. figure

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schwefelwasserstoffreien Biogaserzeugung, bei dem die Hydrolyse und Säurefermentation einerseits und die Methanfermentation andererseits in getrennten Prozeßstufen ablaufen.The invention relates to a process for hydrogen sulphide-free biogas production in which the hydrolysis and acid fermentation on the one hand and the methane fermentation on the other hand take place in separate process stages.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders zur Behandlung tierischer, pflanzlicher und/oder kommunaler Biomasse eingesetzt.The method according to the invention is used in particular for the treatment of animal, vegetable and / or municipal biomass.

Characteristic of the known technical solutions

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.It is known. To produce biogas in continuous flow reactors. This known method usually works in one stage, wherein the substrate is mixed. The biotechnological processes take place in a room under the same physical conditions, namely the hydrolytic, acid-forming and methane-forming process phase.

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.First, the high molecular weight organic compounds are hydrolyzed, the reaction products are converted by microorganisms in lower organic acids to acetic acid, with hydrogen, carbon dioxide and hydrogen sulfide is formed. Thereafter, the reaction products are again degraded by microorganisms to methane and carbon dioxide. The individual process phases must always be in equilibrium. In the single-step process, however, there are no optimal living conditions of the bacterial strains.

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.It is also known to separate the phases into an acid and methane phase (Gas-Wärme international 31 (1982) 12, pp. 576 to 586). The reactor used for this purpose consists of concentric nested reactor chambers, the outer annulus receiving the acid phase and the inner circular cylindrical space receiving the methane phase. In the space for the acid phase of the hydrolytic digestion of high molecular weight organic compounds and the acid formation takes place up to acetic acid. Both reactor chambers are connected to each other on the substrate side via the downwardly open inner reactor chamber. The required residence time for the methane phase must always be a multiple of the residence time for the acid phase, depending on the type and composition of the biomass. This leads to large diameters of the inner reactor, which considerably increases the material consumption. Furthermore, this results in a relatively small radial distance between the two cylindrical coaxial reactor chambers. The resulting narrow annulus impairs accessibility, making assembly corrosion protection work difficult.

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.Due to the large connecting area between the two reactor chambers at the lower part of the inner cylinder, a large transition region between the two phases is formed, which is characterized by pH values of 5.5 to 6.0 for the acid phase and pH values of 7.0 to 7, respectively. 5 are characterized for the methane phase. This means a significant loss of methane bacteria because they die off at a pH of less than 6.5, resulting in the relapse into a one-step process. Another serious disadvantage of this known technical solution is the substrate flow path. In the acid phase, the substrate flow is from top to bottom. The thereby running microwave reactions lead u.a. to form hydrogen sulfide, whose physical solubility increases significantly with increasing pressure. As a result, a significant proportion of the hydrogen sulfide formed is introduced in dissolved form into the methane phase. Due to the upflowing substrate in the methane phase but a pressure relief and thus a desorption of hydrogen sulfide takes place. Degassing brings this into the gas collection room for the biogas, which requires subsequent treatment of the biogas.

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.Another disadvantage of this known solution consists in the difficult elimination of floating surface formation due to the narrow annular space. Elaborate purging devices with appropriate procedures or other mechanical devices are the result.

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.A device for the anaerobic treatment of substrates with organic substances for the production of biogas is known from DE-GM 8326116. This known technical solution has an inner and outer reactor space. In the inner and outer reactor space, a mechanical or hydraulic circulation device is arranged. The inner reactor space, which is surrounded by the outer, is filled via an in-axis filling line from above. This filling line is formed at its upper end as a jet pump and surrounded by a heatable double-jacket tube. When feeding the inner reactor space with substrate, a mechanical circulation of the substrate contained in a high degree of activated sludge takes place. This upheaval is reinforced by the thermals.

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.The lower end of the inner reactor space is formed by a cone with its tip upwards. An annular gap through which the substrate passes into the outer reactor space via an intermediate ring chamber which is open at the bottom remains between this and the double jacket tube surrounding the inner reactor space. Biogas is fed through the double-walled tube surrounding the inner reactor space, which allows a two-phase flow via a mixing injector in the intermediate annular chamber and thereby completes a circulation of the substrate in the second reactor space. A arranged in the lower part of the Zwischenringkarnmer heat exchanger amplified due to the thermal circulation the 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'ihrpnAlthough the accumulation of hydrogen sulfide in the substrate upon entry into the outer reactor space is correspondingly reduced by the substrate pumping in the inner reactor space, the circulation is largely dependent on the constancy of the substrate supply. The partial load procedure, as often found in the provision of biomass, ultimately leads in turn to the accumulation of hydrogen sulfide in the usable biogas. Furthermore, for an effective thermal circulation on the basis of the heat transferred to the described heat exchangers on the substrate impermissibly high temperature gradients take effect, fi'ihrpn especially in the Zwischenringkammer to a death of Mpthanhaktpripn

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.In addition, there is a further disadvantage in that, in order to achieve a two-phase flow in the intermediate annular chamber, a large energy requirement arises, which is caused by the necessary compression of the gas streams in the large annular cross section.

leim Ausströmen des Biogases aus der Mischdüse in die Zwischenringkammer entstehen bei Druckschwankungen Gasverluste urch das Einströmen in den inneren Reaktorraum.When the biogas escapes from the mixing nozzle into the intermediate ring chamber, gas losses occur during pressure fluctuations due to the inflow into the inner reactor space.

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.On disadvantage is further that the solids discharge from the bottom region of the outer reactor space is difficult, but the risk of solids accumulation increases in the region of the lower opening of the intermediate ring chamber and ultimately leads to 'stoppages and inefficiency of the substrate re-circulation in the outer reactor space.

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.lachteilig is also that in the inner reactor space against the floating ceiling formation only the jet pump acts. The formation iner swimming cover is thus hard to prevent and an already formed swimming blanket is not teach to destroy with such a means.

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.DE-GM 8211869 describes a solution in which the digester is divided into a first and a second area for generating the biogas. The division of the digester allows the separate discharge of the incident in the Vorgärstufen gases. The first room area is located in the center of the total lavatory and is enveloped by the second area. It protrudes beyond the enveloping second space area and contains a filler neck, which is located either above the second space area or passes through it. Furthermore, there is in the amount of filler neck in the first space area an agitator and for the promotion of solids from the bottom of the Aulraumes a rotatable tube with linkage, which allows the discharge directly or by means of a screw. The discharge of the usgefaulten substrate takes place in the second space above the top of a submerged pipe.

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.read known solution according to DE-GM 8211869 has the disadvantage that arise as a result of the flow path of auszufaulenden ubstrates from top to bottom hydrogen sulfide enrichments in usable biogas, which require a complex lUfbereitung the biogas.

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.read known technical solution has the further disadvantage that a large transition phase between the first and the wide spatial area is present, causing significant amounts of methane bacteria die off.

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.a further disadvantage arises from the considerable expenditure of energy in the operation of the facilities. As a result of the benen design of the bottom of the space areas arise transport costs for the transport of solids from the outer area of the floor to the located in the axis of the first space area discharge and for / eitertransport through the same to above the first room area.

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.For the avoidance of the floating ceiling formation or their elimination in the first room area is a stirrer available, as experience shows that this is not enough. Additional energy measures are the result.

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.DE-OS 3232530 a technical solution is known in which the phase separation is also carried out and in the ie spaces of methane fermentation guides made of porous material, which provide an accumulation of microorganisms. A central reaction space for the acid phase is surrounded by one or more rooms for the lethane phase. For the methane phase reaction space either separate vertical or horizontal rice-cylindrical spaces are used, which are connected by means of shut-off pipes with the reaction space for the acid phase and there is one or more methane phase reaction spaces are arranged concentrically around the acidic space.

er Reaktionsraum für die Säurephase wird auch bei dieser bekannten technischen Lösung von oben nach unten durchströmt, 'as wiederum zur Schwefelwasserstoffanreicherung im Biogas führt.The reaction space for the acid phase is also flowed through from top to bottom in this known technical solution, which in turn leads to hydrogen sulfide enrichment in the biogas.

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.Another disadvantage is that the floating surface formation in the reaction space of the methane phase is unavoidable nd their elimination requires a large apparatus and energy expenditure.

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 dieEspecially the concentric arrangement of several methane phase reaction chambers increases the risk of blockages in the substrate flow and thus the damage of the porous guide elements. Further, these known devices have a disadvantage that, due to the flat design of the lower boundary of the reaction chambers, considerable problems arise during chip removal. Sludge accumulations in the area of the deflections also cause blockages, ie cause damage to the porous guides. The forced decommissioning of the device is the

iel der Erfindungiel the invention

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.The object of the invention is to reduce the Methanbakterienverlustes in the transition region between the acid and lethanphase, the reduction of hydrogen sulfide enrichment in usable biogas, in the reduction of rforderlichen septic tanks and in avoiding the floating cover with savings of material, energy, costs nd the improvement mountability, ease of maintenance and operational safety.

arlegung des Wesens der Erfindungsetting forth the nature of the invention

er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Eintrag des Schwefelwasserstoffes in die Methanphase zu verhindern und die esamtverweilzeit im Reaktor herabzusetzen.he invention has for its object to prevent the entry of hydrogen sulfide in the methane phase and reduce the total residence time in the reactor.

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.According to the invention, this object is achieved in that the substrate substances within the acid phase ollziehen an upward flow during which is absorbed in the substrate forming and dissolved hydrogen sulfide by constant pressure relief, this is then stored separately and the liberated from hydrogen sulfide substrate of the lethane phase, wherein simultaneously active Substrate from the methane phase is returned to the acid phase.

ie technisch-ökonomischen Auswirkungen der Erfindung bestehen in der Verringerung der Methanbakterienverluste im bergangsbereich zwischen der Säure- und Methanphase.The technical-economic effects of the invention consist in the reduction of methane bacteria losses in the transition region between the acid and methane phases.

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.The inventive method allows the reduction of the hydrogen sulfide enrichment in the usable biogas and prevents the floating cover formation. This leads to savings in material, energy and costs as well as to improve the operability of the reactor, the ease of maintenance and the reliability of the reactors.

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.The inventive method is further characterized by the fact that it estattet a lower residence time of the substrate in the reactor. Furthermore, the required septic tanks can be downsized.

-3- /Ί4-4Ο-3- / Ί4-4Ο

embodiments

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to two embodiments.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Bioreaktors, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.The accompanying drawing shows a schematic representation of a bioreactor in which the inventive method is performed.

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.This reactor consists of an inner reactor chamber 1 arranged in the center, which is surrounded concentrically by an outer reactor chamber 2. The boundary of the inner reactor chamber 1 is given at its periphery by a cylindrical shell 3, a directed with its tip downwards conical bottom 4 and through the gas collection chamber 5. The inner reactor space 1 is connected through the annular gap 6 with the outer reactor space 2. The annular gap 6 is arranged in the upper part of the cylindrical shell 3 and protrudes into the interior of the reactor space 1 as a truncated cone 7, which is designed to be open in the opposite direction to the flow direction of the substrate.

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.Above the enveloping outer reactor chamber 2 is the gas collecting chamber 8. The gas collecting chambers 5 and 8 are separated from each other gas-tight by the cylindrical jacket 3. The separate gas removal from the gas collection chambers 5 and 8 is ensured by the gas extraction lines 9 and 10.

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.Above the inner reactor space 1 in the gas collection chamber 5 a plurality of rinse pipes 11 are arranged. In the axis of the inner reactor chamber 1, an overflow hopper 12 is provided for the Schwimmschlammentnahme at the level of the substrate surface, the removal line above the annular gap 6 through the cylindrical shell 3 in the outer reactor chamber 2 and from there leads to the outside.

In den inneren Reaktorraum 1 führt ein parallel zur Reaktorachse angeordnetes Substrattauch rohr 13, das im unteren Bereich des Reaktorraumes 1 endet.In the inner reactor chamber 1 a parallel to the reactor axis arranged substrate immersion tube 13, which ends in the lower region of the reactor chamber 1.

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.The bottom 4 of the reactor space 1 is designed as a tip-down cone. Likewise, the bottom 15 of the reactor space 2 is formed.

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.At the lowest point of the bottom 4 is a solids removal line 16. To support the solids removal in the bottom 4 a plurality of evenly distributed purge tubes 17 are provided. The boundary of the outer reactor chamber 2 is given at its periphery by the cylinder jacket 14, the bottom 15, the gas collection chamber 8 and with respect to the reactor chamber 1 through the cylindrical shell 3 and the bottom 4.

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.At the lowest point of the bottom 15 is a Feststoffentnahmeleitung 20. Several rinsing pipes 18 are arranged in the bottom 15. The amounts of substrate required for the flushes are removed from the region of the outer reactor chamber 2 via the extraction line 21.

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.The substrate is supplied in such a way that the substrate is pressed through the substrate immersion tube 13 into the bottom region of the inner reactor chamber 1. The substrate completes an unobstructed upward flow after leaving the substrate immersion tube 13. In this area, the reactions of hydrolysis and acid fermentation take place. The resulting as the reaction product in the acid phase and dissolved in the substrate hydrogen sulfide is desorbed due to the associated with the upward flow of the substrate pressure reduction. The escaping hydrogen sulfide is collected in the gas collecting chamber 5 located above the reactor chamber 1 and stored or withdrawn via the extraction line 9. The substrate largely freed of hydrogen sulphide is then fed to the methane phase, in which the substrate enters the outer reactor space 2 through the annular gap. In this case, there is a deflection of the flow direction, so that the substrate in the methane phase performs a downward flow.

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.Substrate homogenization in the upper region of the reactor chamber 1 and the removal of scum are carried out through the flushing pipes 11. For this purpose, ruptured substrate from the lower region of the outer reactor space 2 is used.

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.Any residues of the floating sludge are flushed into the arranged in the axis of the reactor chamber 1 on the substrate surface overflow funnel 12 and discharged from the inner reactor chamber 1.

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.The solids removal from the inner reactor chamber 1 is supported by prior substrate flushing via the purge tubes 17. The forming in the outer reactor chamber 2 gaseous reaction products methane and carbon dioxide are stored in the gas collection chamber 8.

Zur Unterstützung des Schlammabzuges aus dem äußeren Reaktorraum 2 erfolgt vorher eine Spülung des Bodenbereiches des Bodens 15 mitausgefaultem Substrat über die Spülrohre 18.To assist the sludge discharge from the outer reactor chamber 2, a rinsing of the bottom region of the bottom 15 with a fumigated substrate takes place beforehand via the rinsing tubes 18.

Der Abzug des ausgefaulten Substrates geschieht über die Entnahmeleitung 19. Für die Ableitung des Biogases befindet sich am Gassammeiraum 8 die Gasentnahmeleitung 10.The removal of the digested substrate is done via the extraction line 19. For the discharge of the biogas is located at the gas collection chamber 8, the gas extraction line 10th

example 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 undIn the anaerobic treatment of municipal sewage sludge, a degradation rate of 40% is to be achieved for the organic dry matter, and methane-rich and almost hydrogen sulphide-free biogas can be generated at high reactor load of <10d. The hydrogen sulphide concentration in the usable biogas should be less than 0.02% by volume. The two-stage fermentation was studied in the mesophilic temperature range (33 to 35 ° C). The sewage sludge contained a dry substance concentration of on average 75 kg / m ³ . At average substrate pHs for the acid phase of 5.9 and for the methane phase of 7.2 and at partial residence times for the acid phase (inner reactor space) of 1.17d and

Methanphase (äußerer Reaktorraum) von 7,13dMethane phase (outer reactor space) of 7.13d

wurde eine Abbaurate für die organische Trockensubstanz von 42% erreichta decomposition rate for the organic dry matter of 42% was achieved

Die Methanproduktionsrate erreichte Werte bis zu 3,0m³/d.m³ Reaktorvolumen. Das produzierte nutzbare Biogas hatte folgende ZusammensetzungThe methane production rate reached values up to 3.0m ³ / dm ³ reactor volume. The produced usable biogas had the following composition

CH₄ 67,0 bis 78,0 Vol.-%CH ₄ 67.0 to 78.0% by volume

CO₂ 23,0 bis 34,0 Vol.-%CO ₂ 23.0 to 34.0% by volume

N₂ 0„3bis 1,8 Vol.-%N ₂ 0 "3 to 1.8% by volume

H₂S weniger als 0,016Vol.-%.H ₂ S less than 0.016 vol.%.

Die H₂S-Konzentration lag im ppm-Bereich.The H ₂ S concentration was in the ppm range.

Example 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.In the processing of chicken manure, a degradation rate of more than 40% is to be achieved for the organic dry substance and a methane-rich, almost hydrogen sulphide-free biogas can be generated at high reactor load of <10d. The hydrogen sulphide concentration should not exceed 0.02VoI .-%.

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.-%.Under the same process parameters as in Example 1, a decomposition rate of 42% for the organic dry substance was achieved. The methane production rate reached values of 3.4m ³ / dm ³ reactor volume. The methane concentration was 62 to 77 vol.% And the H ₂ S content did not exceed 0.018 vol.%.

Claims

Entitlement to the invention:

A method for hydrogen sulfide-free biogas production in which the hydrolysis and acid fermentation on the one hand and the methane fermentation on the other run in separate process stages, characterized in that the substrate substances perform an upward flow within the acid phase, during which the forming and dissolved in the substrate hydrogen sulfide is desorbed by constant pressure relief, this then stored separately and the hydrogen sulfide-freed substrate is fed to the methane phase, wherein at the same time active substrate from the methane phase is recycled to the acid phase.

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