DD244742A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von methanangereichertem biogas - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von methanangereichertem Biogas. Aufgabe der Erfindung ist es, methanangereichertes Biogas durch Senkung des im Biogas enthaltenen Kohlendioxidanteiles auf biochemischem Wege zu gewinnen. Dazu wird in eine Reaktionskolonne in einer ersten Stufe anaerob behandeltes Substrat geleitet in welcher eine Mischbiozoenose bestehend aus Algen und nitrifizierenden Bakterien bei einer Prozesstemperatur von 20C bis 40C angesiedelt werden. Durch dieses gebildete Kulturmedium wird Biogas aus der ersten Stufe geleitet und dadurch gereinigt. Alternativ koennen zusaetzlich Schwefelwasserstoffreduzierende Bakterien zugegeben werden, die aus dem gewonnenen Biogas noch Schwefelwasserstoff entfernen. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung wird überall dort angewandt, wo organisch belastete Abwässer der Industrie oder Gülle aus Anlagen der Landwirtschaft oder Kommunalwirtschaft anaerob behandelt werden und dabei Biogas entsteht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im Rahmen der anaeroben Aufarbeitung von Abwässern und Gülle entsteht unter Sauerstoffausschluß mit Hilfe von Methanfermentationsbakterien Biogas, welches Methan, Kohlendioxid, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und andere Gasanteile enthält.

Wegen des hohen nicht brennbaren Kohlendioxidanteiles, welcher meist ca. 40% beträgt wird der Heizwert des Biogases gemindert. Außerdem wird seine Zündgeschwindigkeit und Zündtemperatur negativ beeinflußt.

Deshalb ist man zu der Erkenntnis gelangt, den hohen Kohlendioxidgehalt zu verringern.

Die DE-OS 3243103 beschreibt ein solches Verfahren.

Hier werden in einer ersten Behandlungsphase der Biomasse solche Bakterienstämme zugesetzt, die aus dem Reaktionsgut Biogas mit einem hohen CO₂-Gehalt erzeugen. Dieser Behandlungsphase folgt eine zweite, in der Methanbakterienstämme eingesetzt werden, welche aus dem CO2 mit Wasserstoff Methan erzeugen. Dies geschieht bei einer Reaktionstemperatur von 40⁰C. Dazu wird in der ersten Phase gewonnenes stark CO₂-haltiges Biogas als Nahrung angeboten, aus der diese Bakterien weiteres Methan bilden.

In der ersten Behandlungsphase wird eine Reaktionstemperatur von ca. 35⁰C gehalten. Weitere Nachbehandlungsphasen sind vorgesehen, um immer noch vorhandene CO₂-Restgehalte durch die Methanbakterienstämme zu reduzieren.

Diese Nachbehandlungsphasen werden bei vorzugsweise 65°C-70°C, also thermophil, gefahren. Jede Phase, d. h. Jeder Reaktionsraum weist einen Wärmetauscher auf. Die Nachbehandlungsphasen, bis auf die letzte, können auch in einem einzigen liegenden Behälter wo mehrere Reaktionsräume nebeneinander angeordnet sind, sich befinden. Um nun den CO₂-Anteil auf ein Minimum herabzusetzen, sind zum einen mehrere Nachbehandlungsphasen unter thermophilen Bedingungen notwendig, was einen großen Nachteil in energetischer und verfahrenstechnischer Hinsicht in sich birgt. In jeder Phase entsteht wieder CO₂, das sogar alternativ aus anderen Quellen zugeführt wird, um dieses einer Reduzierung in CH₄ zugängig zu machen.

Dieser verfahrenstechnische Prozeß ist schwer beherrschbar.

Eine Möglichkeit der anaeroben Aufarbeitung bei gleichzeitiger Reduzierung des CO₂-Anteiles, d. h. im selben Milieu der anaeroben Aufarbeitung, beschreibt DE-OS 3309356.

In einem liegenden Reaktor durchläuft das zu behandelnde Substrat unterschiedliche Temperaturbereiche in einer bestimmten Geschwindigkeit, in Richtung steigender Temperatur. Die Durchlaufzeit ist abhängig von der Querschnittsfläche zur Reaktorlänge.

Aus dem Substrat ausgetretenes Gas kann abgeschöpft und diesem Substrat erneut zugeführt werden. Über Wärmetauscher wird dem Reaktor von außen Wärme zugeführt. Die Temperaturzonen im Reaktor sind untereinander abgegrenzt, so daß die Eingabestelle für das Reaktionsgut im niedrigeren Temperaturbereich liegt und das Reaktionsgut, also das Substrat in die Zonen höherer Temperaturen fließt und dem Wärmefluß der in Gegenrichtung stattfindet, entgegenwirkt. Ein Rührwerk soll vermindern, daß sich Biomasse am Boden absetzt oder sich eine Schwimmdecke bildet.

Durch die sich bildende Geschwindigkeitsdifferenz der Wärmeübergangsgeschwindigkeit gegenüber der Durchflußgeschwindigkeitsollen die Lebensbedingungen bestimmter Methanbakterienstämme allmählich auf- und abgebaut werden. Die Methanbakterienstämme sind in der Lage aus Fettsäuren usw. Methan und CO₂ZU erzeugen. Danach synthetisieren sie aus Wasserstoff und CO₂ Methan. Aber auch hier sind immer noch CO₂-Gehalte gegeben, so daß keine Reinkultur erhältlich

Auch dieser Prozeß verläuft thermophil, welcher ebenso energetisch und verfahrenstechnisch häufig instabil und kompliziert verläuft.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit geringer Wärmeenergie sowie geringem Verfahrens- und apparatetechnischen Aufwand eine wirksame Methananreicherung des Biogases mit hohem Heizwert zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die es ermöglichen Biogas mit einem erhöhten Methananteil durch Senkung des im Biogas enthaltenen Kohlendioxidanteiles auf biochemischem Wege zu gewinnen.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem in anaerob in einer ersten Stufe aufgearbeitetem Substrat eine Kombination von Algen und Bakterien angesiedelt werden. Durch dieses gebildete Kulturmedium wird das kohlendioxidhaltige Biogas geleitet, welches ebenfalls aus der anaeroben, ersten Stufe stammt.

Die Kombination von Algen und Bakterien besteht erfindungsgemäß aus einer adaptierten Mischbiozönose, also einer Organismengesellschaft von photo- und/oder chemoautotrophen Algen sowie sessilen und/oder suspendierbaren nitrifizierenden Bakterien, d. h. Nitrifikanten. Diese sind aus Oberflächengewässern als Impfkultur gewinnbar. Die Algenkörper dienen den sessilen Nitrifikanten als Anwuchsfläche. Deren Umsatzleistung ist höher als die der frei suspendierten. Alternativ können aber auch photo- und chemoautotrophe schwefelwasserstoffreduzierende Bakterien zusätzlich kultiviert werden, um den H₂S-Gehalt des Biogases gleichzeitig zu senken. Der Substrat-Ablauf aus dem Biogasreaktor enthält ausreichend Nährstoffe und Salze um als Substrat für die Mikroorganismen zu dienen. Ist er dennoch zu sehr an einzelnen Nährstoffkomponenten verarmt, können diese dem Kulturmedium der Algen-/Bakterienpopulation gesondert zugesetzt werden. Durch diese zweite Stufe wird bekanntermaßen das kohlendioxidhaltige Biogas geleitet.

Durch Stoffübergang in der flüssigen Phase wird CO₂ gelöst und durch die Algen-/Bakterien-Kultur als Kohienstoffquelfe genutzt. Gleichzeitig wird der durch die Algen freigesetzte Sauerstoff von den Nitrifikanten zur Ammoniumoxidation genutzt sowie auch von den aerob reagierenden chemoautotrophen H₂S-reduzierenden Bakterien zur H₂S-Umsetzung in Sulfate aufgenommen.

Zusätzlich bilden die anaerob reagierenden photoautotrophen schwefelreduzierenden Bakterien aus H₂S elementaren Schwefel.

Der durch die CO₂-Umsetzung freiwerdende Sauerstoff ist die limitierende Größe für die Nitratbildung bzw. Aus Nitritbildung aus den Ammoniumverbindungen, welche im Substrat vorhanden sind.

Damit ist eine CH₄-Anreicherung des Biogases erfolgt. Die Prozeßtemperatur beträgt dabei nur zwischen 20°C und 4O⁰C. Dieser Temperaturbereich ist energetisch besonders vorteilhaft, weil er^chon durch die Temperatur des Faulwasserzulaufes aufrechterhalten werden kann.

Selbstverständlich ist die Temperatur während der Wintermonate auch über Warmwasser- oder Dampfzuspeisung möglich. Der angegebene Temperaturbereich garantiert ausreichend gute Lebensbedingungen für die Mikroorganismenkultur.

Das Verfahren läßt sich zweckmäßig ausgestalten, wenn der gebildete Algen-/Bakterienbiomasseüberschuß durch dessen Rückführung in die erste Stufe, dem anaeroben Prozeß, als organische Masse, wieder angereichert wird. Damit kann eine erhöhte Umsatzleistung beim anaeroben Prozeß gesichert werden.

Der Biomasseüberschuß ist aber auch verfütterbar.

Soll eine Nitratentlastung erfolgen, oder Biomasse in den anaeroben Prozeß zurückgeführt werden, so kann in einer dritten Stufe eine Denitrifikation vorgenommen werden.

Die Denitrifikation kann entweder im Anschluß an die zweite Stufe oder bei vorgesehener Nutzung des Dünnablaufes der ersten Stufe für die zweite Stufe, vor dieser erfolgen. Das Lebensmilieu der Algen, Nitrifikanten und schwefelreduzierenden Bakterien ist gut aufeinander abstimmbar.

Die Algen benötigen 5 bis 15 Tage Verweilzeit, während die Nitrifikanten mindestens 4 Tage benötigen, um die erforderliche Umsatzleistung zu erbringen.

Das Verfahren kann außerdem vorteilhaft betrieben werden, wenn das in der ersten Stufe gewonnene Biogas unter Druck in die zweite Stufe eingedüst wird. Damit erhöht sich der Partialdruck des gelösten Kohlendioxidanteiles. CO₂ hat eine ca. 100 χ höhere Wasserlöslichkeit als CH₄. Damit ist der CH₄-Verlust über dem gelösten Anteil im ablaufenden Prozeßwasser gering.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung, welche wie folgt gestaltet ist.

Ein Biogasreaktor steht mit einer vertikalen Reaktionskolonne über eine Substratzuleitung sowie über eine Biogaszuleitung in Verbindung. Die Reaktionskolonne, die auch als Gaswaschkolonne bezeichnet sein kann, weist einen Gasdom mit Biogasabzug auf, welcher räumlich von einem am Kopf der Kolonne befindlichen Flüssigkeitsablauf und mit diesem verbundenen Mikrosieb getrennt ist. Durch dieses Mikrosieb wird Biomasse aufgefangen und im Prozeß gehalten oder in den Biogasreaktor rückgeführt.

Die Biogaszuleitung befindet sich vorzugsweise am Boden der Reaktionskolonne. Damit ist es möglich mit Hilfe des aufsteigenden eingedüsten Biogases den bekannten Mammutpumpeffekt zu erzielen und damit den Kreislaufstrom der Flüssigphase zu gewährleisten.

Der Füllstand der Kolonne wird vorzugsweise mit Niveauüberlauf gehalten, so daß die Biomasse aufgefangen werden kann. Um bei Einsatz von nur photoautotrophen Organismen die erforderliche Lichtleistung zu gewährleisten, können mehrere Reaktionskolonnen, die parallel oder in Reihe geschaltet sind, angeordnet sein. Das Kulturmedium liegt bei großen Mengen dann weniger dicht, wodurch die photoautotrophen Organismen besser mit Licht versorgt werden können.

Sind neben den chemoautotrophen Organismen auch, photoautotrophe oder nur diese angesiedelt, ist es zweckmäßig die Substratzuleitung bzw. der Faulwasserablauf sowie die Reaktionskolonne aus lichtdurchlässigem Material zu fertigen.

Gegebenenfalls kann eine künstliche Beleuchtung angebracht sein.

Ist eine Nitratentlastung gewünscht, kann ein Denitrifikationsbehälter vor die Reaktionskolonne oder dieser, nachgeschaltet

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein nur geringer apparativer und verfahrenstechnischer Aufwand nötig ist, um eine wirksame Methananreicherung im gewonnenen Biogas zu gewährleisten.

Es braucht kein zusätzliches Kohlendioxid bereitgestellt werden um dieses wiederum in CH₄ umzusetzen.

Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren bei niedrigeren Temperaturen als bei den bekannten Verfahren gefahren werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt den Verfahrensablauf in schematischer Darstellung

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den Verfahrensablauf mit veränderter Reihenfolge der Verfahrensstufen

In einem Biogasreaktor 1 wird faulfähiges Substrat, wie Gülle oder organisch belastetes Abwasser anaerob behandelt. Dabei werden ca. 1 000 m³ N/d Biogas gebildet in der Zusammensetzung 65Vol.-% Methan, 33 Vol.% Kohlendioxid, 0,3 Vol.-% Schwefelwasserstoff, 1,7VoI.-% sonstige Gasanteile. Das durch Leitung 2 ablaufende gefaulte Substrat enthält noch 3500mg/l Ammoniumstickstoff.

Das im Biogasbehälter 1 gewonnene kohlendioxidhaltige Biogas wird über Leitung 3 und über eine in Bodennähe einer nachgeschalteten Reaktionskolonne 4, einer sogenannten Gaswaschkolonne, befindlichen Gasverteilung 5 eingedüst. Die Reaktionskolonne 4 ist mit einem Gasdom 6 sowie einem oben befindlichen Biogasabzug 7 ausgestattet. Die Reaktionskolonne ist mit Substrat, bei einer Flüssigkeitsverweilzeit von ca. 2 Tagen gefüllt.

Aus Blasendurchmesser und Aufstiegszeit der eingedüsten Biogasblasen sowie der erforderlichen Kontaktzeit zum Kohlendioxidübergang in die Flüssigkeit von ca. 20s berechnet sich die Höhe der Reaktionskolonne 4 von ca. 6m.

Damit die Biomasseverweilzeit von größer 5 Tagen gewährleistet werden kann, wird diese von der hydraulischen Verweilzeit entkoppelt.

Die Rückhaltung von Biomasse erfolgt mittels der Anordnung eines Mikrosiebes 8 in Form eines Schwimmfiiters im Kopf der Reaktionskolonne. Der Füllstand der Kolonne wird dazu mittels Niveauüberlauf 9 gehalten.

Überschüssige Biomasse kann über Leitung 10 ausgeschleust und verfüttert oder in den Biogasreaktor 1 rückgeführt und als organische Masse umgesetzt werden.

Da im vorliegenden Fall photoautotrophe Organismen mit kultiviert sind, besteht die Reaktionskolonne 4 sowie die Substratleitung 2 aus lichtdurchlässigem Material.

Da eine Nitratentlastung des nitratangereicherten Prozeßwassers gewünscht wird, ist ein Denitrifikationsbehälter 11 der Reaktionskolonne 4 nachgeschaltet und steht über den Flüssigkeitsablauf 12 mit dieser in Verbindung.

Als Fig.2 ist ersichtlich, daß der Denitrifikationsbehälter 11 der Reaktionskolonne 4 vorgeschaltet ist.

Das aus dem Biogasreaktor 1 in die Reaktionskolonne 4 geleitete anaerob behandelte Substrat wird hier mit einer adaptierten Mischbiozönose von photo- und chemoautotrophen Algen, Nitrifikanten sowie schwefelwasserstoffreduzierenden Bakterien kultiviert. Die Algen sowie die Nitrifikanten nutzen das in derflüssigen Phase gelöste CO₂. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, den die Nitrifikanten zur Ammoniumoxidation sowie von den aeroben Chemoautotrophen schwefelwasserstoffreduzierenden Bakterien zur Umsetzung des Schwefelwasserstoffs in Sulfate benötigen. Die gleichfalls zudosierten anaeroben photoautotrophen Schwefelbakterien bilden zusätzlich aus dem Schwefelwasserstoff elementaren Schwefel.

Der durch die Kohlendioxidumsetzung freiwerdende Sauerstoff ist die limitierende Größe für die Nitratbildung aus den Ammoniumverbindungen.

Die Betriebstemperatur in der Reaktionskolonne beträgt ca. 25°C-35°C. Sie wird durch die Temperatur des Zulaufes aus dem Biogasreaktor von 35°C-40°C aufrechterhalten. Durch die so vorgenommene biogene Methananreicherung und Schwefelwasserstoffentfernung werden 700m³ N/d Biogas mit 90Vol.-% Methan und weniger als 50ppm Schwefelwasserstoff für die Verwertung bereitgestellt.

Claims (11)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Gewinnung von methanangereichertem Biogas aus faulfähigem Substrat, wie Gülle, wobei in einer ersten Stufe anaerob aufgearbeitetes Substrat in eine zweite Stufe geleitet, mit Bakterien beimpft und durch dieses gebildete Kulturmedium kohlendioxidhaltiges Biogas aus der ersten Stufe geleitet wird, gekennzeichnet dadurch, daß eine Kombination von Bakterien und Algen, bestehend aus chemoautotrophen und/oder photoautotrophen Algen, suspendierten und/oder sessilen nitrifizierenden Bakterien bei einer Prozeßtemperatur von 20⁰C bis 4O⁰C angesiedelt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich in das gebildete, aus der Kombination von Algen und Bakterien bestehendes Kulturmedium chemoautotrophe und/oder photoautotrophe schwefelwasserstoffreduzierende Bakterien eingebracht werden.
3. 3. Verfahrennach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in das gebildete Kulturmedium zusätzlich Nährsubstrat zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einen der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der infolge der Ansiedelung entstehender Biomasseüberschuß in die erste Stufe zurückgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in einer dritten Stufe eine Denitrifikation durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Denitrifikation der zweiten Stufe nachgeschaltet, durchgeführt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Denitrifikation zwischen die erste und die zweite Stufe geschaltet, durchgeführt wird.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Biogasreaktor (1) mit einer aufrecht stehenden, einen Gasdom (6) einschließlich Biogasabzug (7) aufweisenden Reaktionskolonne (4) über eine Substratzuleitung (2) sowie über eine in Bodennähe der Reaktionskolonne mündende Biogaszuleitung (3) in Verbindung steht und der Kopf der Reaktionskolonne (4) ein Mikrosieb (8) sowie einen mit diesem in Verbindung stehenden Flüssigkeitsablauf (12) aufnimmt.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Reaktionskolonne (4) sowie die Substratzuleitung (2) aus lichtdurchlässigem Material bestehen.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Reaktionskolonnen (4), die parallel oder in Reihe geschaltet sind, vorhanden sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß ein Denitrifikationsbehälter (11) vor die Reaktionskolonne (4) oder dieser nachgeschaltet ist.

    Hierzu 2 Seiten Zeichnungen