DD260397A3

DD260397A3 - Verfahren zur anaeroben behandlung von abwaessern, schlaemmen und abprodukten

Info

Publication number: DD260397A3
Application number: DD86290041A
Authority: DD
Inventors: Joachim Hackenberger; Guenther Bodenstab; Waltraud Voigt; Eckhart Thiel
Original assignee: Pkm Anlagenbau Veb
Priority date: 1986-05-08
Filing date: 1986-05-08
Publication date: 1988-09-28

Abstract

Verfahren zur anaeroben Behandlung von Abwaessern, Schlaemmen und Abprodukten aus der Industrie, dem kommunalen Bereich und der Tierproduktion. Durch die verfahrensgemaesse Feststoffsteuerung in der Methanfermentation wird die Leistungsfaehigkeit erhoeht, eine maximale Gasausbeute, bezogen auf Substrat und Reaktionsraum erzielt und der Kostenaufwand gesenkt. In der Methanfermentation erfolgt die Feststoffsteuerung mit den Steuergroessen Reaktionszeit und Feststoffkonzentration. Die optimale Feststoffkonzentration betraegt 6% TS-Gehalt. Die Einstellung der Feststoffkonzentration in der Methanfermentation erfolgt wahlweise zur Erhoehung der Feststoffkonzentration durch Rueckfuehrung von sedimentierten Feststoffen aus der Nachklaerung und zur Verringerung der Feststoffkonzentration durch Rueckfuehrung von geklaertem Faulwasser in die saure Phase.

Description

Methanfermentation führt. So begrenzt die hohe Feststoffkonzentration insbesondere den Stoffaustausch zwischen Zelle und umgebendem Medium. Vielfach wird versucht, durch eine Intensivierung der Mischprozesse im Reaktor die Substratdiffusion zur Zelle und den Abtransport derauf die Erzeuger toxisch rückwirkenden Stoffwechselendprodukte zu verbessern. Dem steht jedoch entgegen, daß durch die Intensivierung der Umwälzung in der Methanfermentation die Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien gestört wird. Durch Überschreitung der Scherstabilität erfolgt eine Trennung der Symbionten. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der endergonischen Azetatbildung der acetogenen Bakterien, da mit der Trennung der Symbionten die Energiezufuhr der wasserstoffoxidierenden Methanbildner unterbrochen wird.

Infolge der Substratkopplung beeinträchtigt die reduzierte Azetatbildung die Methanfermentation, so daß die mit der hohen Feststoffkonzentration beabsichtigte maximale Reaktionsgeschwindigkeit und hohe spezifische Gasausbeute nicht erreicht werden kann.

Dem steht gegenüber, daß bei zu geringer Feststoffkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit und Methanausbeute infolge Substratmangel und zu geringer Populationsdichte gleichfalls beeinträchtigt wird und die ins Kalkül gezogenen möglichen Leistungswerte der Methanfermentation nicht erreicht werden.

Es wird deshalb eine Feststoffsteuerung vorgesehen. Mit deren Hilfe wird eine optimale Feststoffkonzentration im anaeroben Verfahren eingestellt, bei der in der Methanfermentation einerseits kein Substratmangel auftritt und zum anderen bei schonender Umwälzung der volle Stoffaustausch ohne Zerstörung der mikrowellen Symbiose zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien gegeben ist.

Merkmale der Erfindung

Das Wesen der Erfindung zur anaeroben Behandlung von Abwässern, Schlämmen und Abprodukten in zwei Phasen ist gekennzeichnet dadurch, daß durch eine Feststoffsteuerung eine optimale Feststoffkonzentration in der Methanfermentation eingestellt wird, die eine hohe Stoffwechselgeschwindigkeit und Biogasausbeute gewährleistet, einen praktisch unbehinderten Stofftransport von der Zelle und eine unbehinderte Substratdiffusion zur Zelle bei schonender Umwälzung ermöglicht, wobei die Scherstabilität der acetogenen und methanogenen Symbionten nicht überschritten und damit die Azetatbildung und spezifische Gasausbeute nicht beeinträchtigt wird. Die optimale Feststoffkonzentration ergibt sich bei einem TS-Anteil von 6%. Die Einhaltung der Feststoffkonzentration erfolgt durch an sich bekannte Prozesse der Sedimentation und Feststoff rückführung; wobei u.a. in Abweichung der bekannten Verfahren der Biomasserückführung zu Belebungsstufen bei der Methanfermentation wahlweise zur Erhöhung der Feststoffkonzentration die in der Nachklärung abgeschiedenen Feststoffs wieder in den Reaktor der Methanfermentation zurückgeführt werden können, während zur Verringerung der Feststoffkonzentration des zufließenden Substrates das über die Überlaufkante der Nachklärung abfließende, von Feststoffen entlastete Faulwasser wieder in die saure Phase als Verdünnungswasser zurückgeführt wird.

Ausführungsbeispiel 1

Die Erfindung wird an dem Ausführungsbeispiel 1 unter bezug auf die dargestellte Figur näher erläutert.

Das aus der sauren Phase 1 ablaufende Substrat gelangt durch die Rohrleitung 2 über einen in bekannter Weise ausgeführten Wärmeübertrager 3, der der Aufwärmung dient, in die Methanphase, beispielsweise bestehend aus zwei Reaktoren 4,5. Der Inhalt der Reaktoren 4, 5 wird schonend ständig mit Hilfe des bekannten Air-Lift-Verfahrens umgewälzt.

Dabei wird jeweils im oberen Teil des Reaktors 4,5 über die Rohrleitungen 6,7 Gas entnommen, über die Gebläse 8,9 verdichtet und über die Rohrleitungen 10,11 in die Mischeinrichtungen 12,13 eingeblasen.

In den über den Mischeinrichtungen 12,13 anschließenden oberen Strömungsrohren 14,15 steigt das Gas-Flüssigkeitsgemisch auf und tritt jeweils in Höhe des Flüssigkeitsspiegels aus, wobei in den ebenfalls a η die Mischeinrichtungen 12,13 angebundenen unteren Strömungsrohren 16,17 Flüssigkeit nachgezogen wird.

Die außerhalb der oberen und unteren Strömungsrohre 14,15,16,17 in den Reaktoren 4, 5 entstehende nach unten gerichtete Strömung führt zur Umwälzung des Reaktorinhaltes, wobei auf die Mikroorganismen wirkende Druckschwankungen und Scherkräfte weitgehend vermieden werden. Die unteren Strömungsrbhre 16,17 sind mit Mantelrohren 18,19 umgeben, über die eine zusätzliche Substratheizung mit Hilfe von Warmwasser erfolgen kann.

Der Ablauf der Reaktoren 4,5 wird jeweils über eine bekannte Nachkläreinrichtung, bestehend aus mehreren in die bodennahe Zone der Reaktoren 4, 5 eingebundenen geneigten Rohren 20,21 und einen sich anschließenden Speicherraum 22, 23 geleitet.

Infolge der geringen Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren 20, 21 sedimentieren die Mikroorganismen an der geneigten Rohrsohle und rutschen selbständigin die Reaktoren 4,5 zurück, wodurch die Anspülverluste an Methanbakterien ausgeglichen werden. Damit wird die Reaktionszeit nicht mehr von der Zuwachsrate der Methanbakterien bestimmt.

Das geklärte ausgefaulte Substrat gelangt über die in den Speicherräumen 22,23 angebrachten Überfallkanten 24, 25 und die Ablaufleitungen 26,27 zur nachfolgenden Verwertung oder wird erfindungsgemäß teilweise über die Rohrleitung 28 zur Substratverdünnung in die saure Phase zurückgeführt.

Anstelle des geklärten ausgefaulten Substrates kann auch Frischwasser zur Verdünnung verwendet werden.

Im Zeitraum des Anfahrbetriebes, wo noch kein Gas für den Betrieb der Umwälzsysteme in den Reaktoren 4,5 zur Verfugung steht, erfolgt die Substratumwälzung wechselseitig in beiden Reaktoren 4, 5, über die Saugleitungen 29, 30, die Umwälzpumpe 31 und die jeweils mit mehreren Einstrahldüsen versehenen Druckleitungen 32, 33.

Die Druckleitungen 32,33 dienen gleichzeitig zur Auflockerung und Klassifizierung am Boden der Reaktoren 4,5 abgesetzter und verdichteter Feststoffe.

Die unerwünschten Feststoffe, beispielsweise Sand, können über gesonderte an der Trichterspitze der konischen Reaktorböden anbindende Ausschleuseleitungen 34,35 periodisch abgelassen werden.

Mit der Menge der entnommenen Feststoffe wird der Feststoffgehalt in den Reaktoren 4, 5 zusätzlich gesteuert und auf den für die Gasproduktion optimalen Wert eingestellt.

Die Ableitung des erzeugten Biogases erfolgt an den Reaktordächern in die Gasleitung 36.

Ausführungsbeispiel 2

Der Biogasanlage werden täglich 200m³ eines Substratgemisches mit einem Feststoffanteil von 10% zugeführt. Die Feststoffe bestehen aus 70% aus organischem Material. Bei einer Temperatur von 10°C und einer Aufenthaltsdauer von 10 Tagen verringert sich der Feststoffgehalt des vorliegenden Substrates in der sauren Phase infolge einer Hydrolyse und acidogenen Phase um 15%. Damit besitzt die Zuflußmenge zur Methanphase einen TS-Gehalt von 8,5%.

In der Methanfermentation beträgt für das vorliegende Substrat die TS-Abnahme bei einer Reaktionstemperatur von 34°C und einer Faulzeit von 10 Tagen rd. 10%. Damit stellt sich ohne Feststoffsteuerung eineTS-Konzentration in der Methanfermentation von 7,65% ein. Dieser Wert übersteigt die optimale Feststoffkonzentration von 6% und bedingt eine Verringerung der spezifischen Biogasausbeute um 23%.

Es ist deshalb die Einstellung einer optimalen Feststoffkonzentration durch Rückführung einer Teilmenge des über die Überlaufkante der Nachklärung abfließenden Faulwassers (TS-Konzentration 1 %) erforderlich.

Im Rahmen der Feststoffsteuerung sind in Form eines inneren Kreislaufes täglich

200 · 7,65 + V_R-I

= 6,0

200 + V_R

Vr = 76 m³

Faulwasser in die Methanfermentation zurückzuführen.

Claims

1. Verfahren zur anaeroben Behandlung von Abwässern, Schlämmen und Abprodukten in zwei Phasen, gekennzeichnet dadurch, daß in der Methanfermentation eine Feststoffsteuerung mit den Steuergrößen Reaktionszeit und Feststoffkonzentration erfolgt, wobei eine optimale Feststoffkonzentration von 6%JS-Gehalt in der Methanfermentation eingestellt und im Prozeßverlauf gesteuert wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Steuerung der Feststoffkonzentration in der Methanfermentation der an sich bekannte Prozeß der Sedimentation und Biomasserückführung dazu genutzt wird, daß wahlweise zur Erhöhung der Feststoffkonzentration die in der Nachklärung sedimentierten Feststoffe in die Methanfermentation und zur Verringerung der Feststoffkonzentration das über die Überlaufkante der Nachklärung abfließende Faulwasser in die saure Phase zurückgeführt werden.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben Behandlung organisch belasteter Abwässer, Schlämme und Abprodukte, z. B. aus der Industrie, dem kommunalen Bereich sowie den Einrichtungen der industriellen Tierproduktion.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der anaerobe Abbau organischer Substrate erfolgt in vier Prozeßschritten: der Hydrolyse, der Säurebildung, der acetogenen Phase und der Phase der Methanfermentation. Diese Aufeinanderfolge von Prozeßschritten wird durch unterschiedliche Mikoorganismenarten, so z. B. durch fakultativ anaerobe Bakterien, durch obligat syntrope acetogene Bakteriengruppen Und durch methanogene Bakterien bewirkt. Bei der überwiegenden Mehrzahl der anaeroben Verfahren ist es üblich, die vier Prozeßschritte in einem gemeinsamen Reaktor bei Temperaturen im mesophilen Bereich von 30—70⁰C oder im thermophilen Bereich von 50-57⁰C durchzuführen. Dabei muß zwischen den vier Prozeßschritten ein Gleichgewichtszustand bestehen, d.h. die Zwischenprodukte des vorangegangenen Prozeßschrittes müssen vom nachfolgenden Prozeßschritt vollständig weiterverarbeitet werden können. Bei einer Vereinigung dieser Prozeßschritte in einem Reaktor wird zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes die Leistungsfähigkeit des Gesamtprozesses Von dem langsamsten Prozeßschritt diktiert. Die höheren Stoffwechselgeschwindigkeiten der anderen Prozeßschritte sind dabei nicht voll nutzbar. Dementsprechend erfordert dieser Einhphasenprozeß, bei dem alle Prozeßschritte in einem gemeinsamen Reaktor vereinigt werden, lange Reaktionszeiten und hiervon abhängig erhebliche Reaktionsvolumen.

Es sind deshalb in neuerer Zeit auch Verfahren bekannt, wo durch eine räumliche Trennung der Hydrolyse und Säurebildung von der Phase der Methanfermentation jeweils optimale Lebensbedingungen für die Säurebildner und Methanbakterien eingestellt werden können. Da acetogene Bakterien nur bei einer engen räumlichen und physiologischen Bindung mit Methanbakterien zur gewünschten Stoffwechselleistung befähigt sind und zu dem ähnliche Wachstumsanforderungen besitzen, wird die acetogene Phase mit der Phase der Methanfermentation in einem Reaktor vereint.

Zur Einstellung optimaler Lebensbedingungen ist es erforderlich, die Methanfermentation im mesophilen Bereich bei Temperaturen von 30-37⁰C oder im thermophilen Bereich bei 50-57⁰C zu betreiben. Dies erfordert eine ständige Zufuhr von Wärmeenergie zu ι Deckung der Wärmeverluste und zur Aufheizung des Frischschlammes, der in die Faul behälter gepumpt wird. Es ist des weiteren Stand der Technik, daß zur Verringerung des erforderlichen Wärmebedarfes die Frischschlammenge ohne Beeinträchtigung des Feststoffgehaltes weitestgehend reduziert und dem Faulbehälter demzufolge ein möglichst konzentrierter Faulschlamm zugeführt werden soll. Im Hinblick auf die Konzentration des Faulschlammes wird in der Fachliteratur dargestellt, daß mit steigender Feststoffkonzentration ein linearer Anstieg des Biogasanfalles erfolgt. Dementsprechend kann gefolgert werden, daß unabhängig von der Feststoffkonzentration die spezifische Biogasausbeute m³/kg oTS konstant bleibt. Durch Rückführung von Biomasse wird zudem versucht, die Bakterienpopulation im Reaktor weitestgehend zu konzentrieren. Diese Maßnahmen ließen eine Leistungssteigerung der Methanfermentation und hiermit verbunden eine Erhöhung der Biogasausbeute erwarten, die vielfach nicht erreicht wurde.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Methanfermentation, die Erzielung einer maximalen spezifischen Gasausbeute bezogen auf Substrat und Reaktionsraum durch gezielte Feststoffsteuerung und die Senkung des Kostenaufwandes.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird.

Die Ursachen der Mängel der bereits bekannten Lösungen bestehen darin, daß aus energetischen Aspekten eine sehr hohe Feststoffkonzentration im anaeroben Prozeß angestrebt wird, die zu einer Behinderung des Stoffwechsels der mikrobiellen