DD246531A1 - Verfahren zur gewinnung von biogas aus organischen materialien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus organischen Reststoffen wie Schweine-, Rinder- oder Huehnerguelle. In komplex zusammengesetzten Substraten wie Guelle werden die organischen Bestandteile mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten abgebaut, z. B. loesliche Kohlenstoffanteile bedeutend schneller als nicht geloeste. Durch die bekannten Verfahren der anaeroben Fermentation von Guelle werden diese spezifischen Substrateigenschaften nicht beruecksichtigt. Das Ziel der Erfindung besteht in einer Erhoehung der Biogasausbeute durch eine dem Substrat bzw. den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten der Substratinhaltsstoffe angepassten Stoffuehrung. Das Ziel wird durch Trennung in zwei Verfahrensstufen erreicht, indem die Guelle waehrend einer im Verhaeltnis zum zweiten Behaelter kurzen Verweilzeit in einen ersten Reaktor durch natuerliche Sedimentation in eine trockensubstanzreiche, feststoffenthaltende Fraktion und in eine von abbaubaren Kohlenstoffanteilen im wesentlichen befreiten fluessige Phase getrennt wird und die feststoffreiche Fraktion in einem zweiten Reaktor mit einer im Verhaeltnis zur ersten Verfahrensstufe laengeren Verweilzeit weitgehend ausgefault wird. Die Erfindung kann in Tierproduktionsanlagen sowie zur Energieerzeugung aus anderen organischen Reststoffen genutzt werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Gülle durch anaerobe Fermentation bei gleichzeitiger Reduzierung unerwünschter Inhaltsstoffe der Gülle. Die Erfindung gehört in das Gebiet dertechnischen Mikrobiologie und kann in Anlagen der industriellen Tierproduktion, insbesondere in Anlagen der Schweinezucht, in denen Gülle anfällt, genutzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen '

Zur Erhöhung der Effizienz von Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Gülle werden nach den bekannten Verfahren der biotechnologischen Güllebehandlung zwei Wege beschritten. Erstens wird versucht, durch eine Vorbehandlung der Güllesubstrate außerhalb des eigentlichen Methanreaktors die Biogasausbeute zu erhöhen und zweitens, den Bedarf an Prozeßenergie zur Erwärmung des Fermentationsmediums bzw. zur Umwälzung der Reaktoren zu reduzieren. Die erstgenannten Verfahren konzentrieren sich neben einer physikalischen Vorbehandlung (z. B. US 4401 565) auf mikrobielle Voraufschlüsse der Substrate unter anaeroben oder aeroben Bedingungen. Insbesondere zur Methanerzeugung aus Flüssigmist sind eine Vielzahl von Verfahren konzipiert, die durch Vorsäuerung vor der eigentlichen Methangärung eine effektivere Verfahrensgestaltung-ermöglichen (zweistufige Verfahren, z.B. DE 2821796, US 4022665, CH 495302, GB 2013170), wobei auch im Substrat enthaltene Feststoffe nach der Vorsäuerung abgetrennt werden können, was sie Effektivität der Methanstufe weiter erhöhen soll (DE 3102739). Daneben gewinnen zunehmend Verfahren der enzymatischen Vorbehandlung an Bedeutung, die die Enzymsysteme aerober Mikroorganismen zum Voraufschluß vergärbarer organischer Substanz nutzen. (DD 217786, US 4350588, DE 3327541).

Derartige Verfahren sind wegen des exergonischen Verlaufs der aeroben Stufe und der Nutzung dieser Wärme als Prozeßwärme für die anaerobe Stufe aus energetischen Gesichtspunkten von besonderem Interesse.

Zur Verminderung des Einsatzes an Prozeßenergie zur Umwälzung der Reaktoren wird auf eine scherkraftarme Durchmischung orientiert, um die Symbiose der an der Methanbildung beteiligten Bakterienkulturen nicht negativ zu beeinflussen. In dem in DD 207696 beschriebenen Verfahren erfolgt die Wärmezufuhr unmittelbar nach der Umwälzpumpe. Durch die Wärmezufuhr wird die Gaslöslichkeit im Gemisch vermindert und durch das entweichende Gas im Steigrohr eine Auftriebswirkung erreicht. Während der Abwärtsbewegung bleibt das Gas durch den hydrodynamischen Druck gelöst. Das in DE 3309299 beschriebene Verfahren zum anaeroben Behandeln von Rohschlamm aus kommunalen Kläranlagen erfolgt in mindestens zwei Reaktionsräumen mit unterschiedlichem biologischem Milieu. Es wird eine koaxial geführte Umlaufströmung derart erzeugt, daß eine ausreichende Umwälzung für einen optimalen Substrat- und Stoffwechsel-Produkt-Transport gewährleistet ist und zu hohe, die Symbiose der Acetatbakterien und Methanbakterien beeinträchtigende Scherkräfte vermieden werden. Nach DE 3309300 ist die Vorrichtung zur Erzeugung einer Umlaufströmung aus flexiblem Material hergestellt. Zur selbsttätigen Umwälzung von ausfaulender Biomasse wird auch der selbsterzeugte Gasdruck genutzt (DE 3230010).

Neben diesen Verfahren mit ideal durchmischten Reaktoren gewinnen insbesondere in der Abwassertechnik zur Aufbereitung industrieller Abwässer bzw. Klärschlammfaulung Verfahren mit substratspezifischer Stofführung zunehmend an Bedeutung. Mit einer Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser wird in einer Nachklärkammer der Schlamm vom Faulwasser getrennt und wieder in den Reaktionsraum zurückgeführt (DE 2728585).

Neben diesen sogenannten Kontaktverfahren sind Lösungen vorgeschlagen, Schlamm und Substrat innerhalb des Reaktors durch Fixierung der Biomasse an Trägermaterialien zu trennen (DE 3134879, DE 2748313, DE 2520742). Während Verfahren mit •substratspezifischer Stofführung in der kommunalen Abwassertechnik schon angewendet werden, fehlen bisher für landwirtschaftliche Fermentationsrohstoffe wie Gülle spezifische Verfahrenslösungen, so daß für die anaerobe Fermentation von Gülle noch immer ideal durchmischte Reaktoren mit unterschiedlichen Strömungsführungen (Umlaufstörung im. Schlaufenreaktor, Pfropfenströmung im Gärkanal) Stand der Technik sind. In Gülle als kolloid dispersem Substrat liegen die zu Biogas utilisierbaren Kohlenstoffverbindungen sowohl in gelöster als auch in ungelöster Form vor und unterscheiden sich erheblich in der Reaktionsgeschwindigkeit ihres Abbaus. Diese spezifischen Eigenschaften von Flüssigmistsubstraten finden in den bekannten Lösungen zur Erzeugung von Biogas aus Gülle keine Berücksichtigung, so daß wenig abgebaute Bestandteile der

organischen Substanz dem Reaktor entnommen und bereits vollständig abgebaute Gülleflüssigkeit im Reaktor verbleibt und diesen zusätzlich hydraulisch belastet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Biogas aus Gülle oder ähnlichen Substraten bei gleichzeitiger Entlastung der Gülle von umweltbelastenden Inhaltsstoffen mit einer Stofführung, die die spezifischen Eigenschaften des Mediums berücksichtigt und eine bezogen auf die eingesetzte organische Substanz hohe Biogasausbeute erreicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, mit einer den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten der Gülleinhaltsstoffe angepaßten Stofführung den zu Biogas verwertbaren Anteil der Gülle maximal für die mikrobielle Methanerzeugung zu nutzen und dabei den Ehergieeinsatzfürden Substrat- und Stoffwechsel-Produkt-Transport auf ein Minimum zu senken. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine stoffspezifische Reaktionsführung realisiert wird, die die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des mikrobiellen Abbaus der Gülleinhaltsstoffe berücksichtigt. Die Gülle wird mittels bekannter Vorrichtung m einen ersten Reaktor (stehend) gegeben und unter Nutzung der Schwerkrafteindickung (Sedimentation) im Behälter in eine trockensubstanzreiche, feststoffenthaltene Fraktion und eine feststoffarme bzw. -freie Fraktion während relativ kurzer Verweilzeit getrennt, zur Durchmischung von frischem Substrat und Mikroorganismen werden also natürliche Kontaktierungsvorgänge (Sedimentation, Flotation) genutzt.

Dazu wird die Gülle im unteren Reaktorteil verteilt zudosiert, die feststoffreiche Fraktion am Reaktorboden entnommen und die feststofffreie Komponente kann vom oberen Teil des Reaktors über ein Siphon abfließen. Die Kontaktierung zwischen Mikroorganismen und Substrat kann gegebenenfalls durch Betätigen einer Durchmischungseinrichtung unterstützt werden, deren Intensität aber die natürliche Eindickung nicht verhindern sollte. Die in der flüssigen Phase enthaltenen löslichen Kohlenstoffanteile werden während des Durchströmens im Reaktor von unten nach oben weitgehend abgebaut, während die feststoffreiche Fraktion noch zu Biogas verwertbare Kohlenstoffanteile enthält. Diese eingedickte Fraktion wird in einen zweiten Reaktor gegeben und dort mit einer verhältnismäßig langen Verweilzeit vollständig ausgefault. Dieser zweite Reaktor kann als ideal durchmischter Behälter oder besser wiederum mit einer den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten angepaßten Stofführung betrieben werden, indem die fest.stoffreiche Güllefraktion wahlweise im oberen oder unteren Teil des Reaktors zugegeben, oben die entlastete Flüssigkeit und unten die weitgehend mineralisierte trockensubstanzreiche Fraktion entnommen werden. Durch Dosierung der Entnahme kann die Verweilzeit der Fraktionen an die spezifischen Anforderungen des Substrates angepaßt werden. Bei der Lösung der Aufgabe werden bereits bekannte Elemente anaerober Fermentationstechnologien so modifiziert und weiterentwickelt, daß eine höhere Effizienz des Verfahrens realisiert wird.

Der tragende Gedanke der Erfindung ist, eine Erhöhung der Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Substanz bei verringertem Energie- und Bauaufwand zu erreichen und so die Zielstellung nicht nur prinzipiell, sondern auch material- und energiewirtschaftlich und damit ökonomisch akzeptabel zu verwirklichen.

In den erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Verwertung der Inhaltsstoffe der Gülle durch eine den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten angepaßte Stofführung. Dazu wird die Gülle während einer im Verhältnis zum zweiten Behälter kurzen Verweilzeit im ersten Behälter in Fraktionen mit höherem und niedrigerem Trockensubstanzgehalt getrennt und gleichzeitig die flüssige Phase ausgefault und kann somit der landwirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden. Die feststoff reiche Fraktion mit höherem Trockensubstanzgehalt wird in einem zweiten Behälter mit einer verhältnismäßig längeren Verweilzeit weitgehend mineralisiert

Der Fermentationsprozeß im ersten Reaktor ist gekennzeichnet durch:

— eine Temperatur von 24⁰C bis 36⁰C, vorzugsweise 33⁰C bis 35°C,

— einen pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5,

— einer Verweilzeit zwischen 7,5 und 12 Tagen

Der Fermentationsprozeß im zweiten Reaktor ist gekennzeichnet durch:

— eine Temperatur von 24 bis 36°C, vorzugsweise 24°C bis 33°C,

— einen pH-Wert zwischen 7,5 und 8,5

— einer Verweilzeit zwischen 20 und 40 Tagen

Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwärtig angewandten Verfahren zur Biogaserzeugung sind:

— Erhöhung der Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Substanz und damit Erhöhung der Effizienz des Verfahrens

— Erhöhung der Biogasbildungsgeschwindigkeit und damit Verkürzung der Verweilzeit der Gülle im Biogasreaktor (Verringerung der Investitionen für den Reaktorbau)

— Verminderung des Einsatzes an Prozeßenergie zur Umwälzung der Reaktoren

Ausführungsbeispiel

Die im Rahmen des Verfahrensbeispiels eingesetzte Gülle entstammt im wesentlichen einer industriemäßigen Schweinezuchtanlage. Die Größenordnung und die Methoden derTierhaltung einschließlich des angewendeten Fütterungsregimes bedingen eine in bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgülle. Die aus den Schweinezuchtanlagen geförderte Gülle ist durch folgende mittlere Stoffkennwerte charakterisierbar:

TS 33,6 g/l oTS 25,2 g/l C_FS 5,3 g/l N_K '2,7 g/l NH₄ ⁺-N 1,5g/l

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Die Fermentation verläuft in der ersten Stufe bei einer Temperatur von 33°C bis 35⁰C und einem pH-Wert von 7,8. Die Verweilzeit beträgt 10 Tage, der BSB₅-Abbau für die flüssige Phase ca. 90%. Der Trockensubstanzgehalt der feststoffangere.icherten Fraktion beträgt 6 bis 8,5%. '

In der zweiten Stufe verläuft die Fermentation bei einer Temperatur von 30 bis33°Cund einem pH-Wert von 7,9. Die Verweilzeit beträgt 35 Tage. Die spezifische Biogasausbeute beträgt 0,7 m³/kg oTS, was eine Erhöhung der Biogasausbeute gegenüber den als ideal durchmischt betriebenen Behältern um 20% bedeutet.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus organischen Materialien, vorzugsweise Schweine-, Rinder- oder Hühnergülle in zwei Verfahrensstufen, gekennzeichnet dadurch, daß das Substrat einem ersten Reaktor zugeführt und in diesem durch natürliche Sedimentation in eine trockensubstanzreiche, feststoffenthaltende Fraktion und in eine von abbaubaren Kohlenstoffanteilen im wesentlichen befreite flüssige (feststofffreie) Phase getrennt wird und beide Fraktionen getrennt entnommen werden, daß die feststoffreiche Fraktion in einen zweiten Reaktor oder in einen durch eine entsprechende Vorrichtung abgetrennten Teil des ersten Reaktors mit einer im Verhältnis zur ersten Verfahrensstufe längeren Verweilzeit ausgefault und somit weitgehend mineralisiert wird, daß in der ersten und zweiten Verfahrensstufe eine Gärtemperatur von 24°C bis 36°C, vorzugsweise 33°C bis 35°C für die erste und 24^PC bis 33"C für die zweite Stufe eingehalten wird, daß der pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5 liegt und daß die Verweilzeit in der ersten Verfahrensstufe 7,5 bis 12 Tage und.in der zweiten Stufe 20 bis 40 Tage beträgt.
2. 2. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß der feststoff reiche Ablauf sowohl der ersten als auch der zweiten Stufe wahlweise dem Zulauf beider Stufen zugemischt wird.