DD264910A1

DD264910A1 - PROCESS FOR PRODUCING BIOGAS FROM PIG GROUPS

Info

Publication number: DD264910A1
Application number: DD87308631A
Authority: DD
Inventors: Johann Franz; G-Rainer Vollmer
Original assignee: Inst Biotechnologie Arbeitsgru
Priority date: 1987-11-04
Filing date: 1987-11-04
Publication date: 1989-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Schweineguelle oder aehnlich zusammengesetzten Substraten. Nach den bekannten Verfahren der anaeroben Fermentation von Guelle wird eine Erhoehung der Biogasausbeute ueber eine Vorbehandlung des Substrates erreicht. Des weiteren wird versucht, ueber die Verminderung von Prozessenergie die Nettoenergieausbeute zu erhoehen und somit eine oekonomischere Verfahrensgestaltung zu erreichen. Zur anaeroben Fermentation von Guelle sind bisher ideal durchmischte Reaktoren allgemeine Praxis, wobei der Aufwand zur Umwaelzung der gesamten Reaktionsmasse insbesondere bei trockensubstanzarmen Guellen wegen der ausgepraegten Sedimentationsneigung betraechtlich ist. Ideal durchmischte Reaktoren haben aber insbesondere den Nachteil, dass die unterschiedliche Geschwindigkeit im Abbau der Inhaltsstoffe der Guelle nicht beruecksichtigt wird, d. h. schwer und leicht abbaubare Kohlenstoffverbindungen durchlaufen den Reaktor mit gleichen mittleren Verweilzeiten. Das Ziel der Erfindung besteht in einer Erhoehung der Biogasausbeute durch Entkopplung der Verweilzeiten von schwer und leicht abbaubaren Bestandteilen der Guelle bei minimiertem Energieeinsatz durch Umwaelzung nur im untersten Teil des Reaktors. Das Ziel wird erreicht, indem die Guelle in dem unteren Teil des Reaktors zudosiert wird, eine tangentiale Rotationsstroemung passiert, in der unloesliche Bestandteile und Biomasse in der Schwebe gehalten werden, und am Reaktorboden eine im Verhaeltnis zum Zulauf geringe Menge sowie am Reaktorkopf ein groessere Menge ausgefaulten Substrates entnommen werden. Die Erfindung kann in Tierproduktionsanlagen sowie zur Verarbeitung aehnlich beschaffener Fermentationsrohstoffe eingesetzt werden.The invention relates to a process for the production of biogas from porcine or similar composite substrates. According to the known method of anaerobic fermentation of guelle, an increase in the biogas yield via a pretreatment of the substrate is achieved. Furthermore, an attempt is made to increase the net energy yield via the reduction of process energy and thus to achieve a more economical process design. For anaerobic fermentation of galle, hitherto ideally mixed reactors have been the general practice, the expense of circulating the entire reaction mass, in particular in the case of dry-substance-poor gellets, owing to the pronounced sedimentation tendency, being considerable. However, ideally mixed reactors have the disadvantage that the different speed in the degradation of the ingredients of the bark is not taken into account, d. H. heavy and easily degradable carbon compounds pass through the reactor with equal mean residence times. The object of the invention is to increase the biogas yield by decoupling the residence times of heavy and easily degradable components of the bark with minimized energy use by circulation only in the lowest part of the reactor. The goal is achieved by adding the galleon in the lower part of the reactor, passing a tangential flow of rotation in which the non-soluble constituents and biomass are suspended, and at the reactor bottom a small amount in relation to the feed and a larger amount at the reactor head be removed rotted substrate. The invention can be used in animal production plants as well as for processing similar procured fermentation raw materials.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung IField of application of the invention I

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Schwoinegülle durch anaerobe Fermentation. Die Erfindung I gehört in das Gebiet der tee ,mischen Mikrobiologie und kann in Anlagen der industriellen Tierproduktion, insbesondere in !The invention relates to a method for producing biogas from Schwoinegülle by anaerobic fermentation. The invention I belongs to the field of tea, mixing microbiology and can be used in industrial animal production plants, especially in!

Anlagen der Schwoinezc-lii, in denen Gülle anfällt, genutzt werden. ,Plants of Schwoinezc-lii, in which manure is obtained, are used. .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Characteristic of the known technical solutions

Zur Erhöhung der Effizienz von Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Gülle werden nach den bekannten Vorfahren der jTo increase the efficiency of processes for the production of biogas from manure according to the known ancestor of j

biptechnologischen Güllebehandlung zwei Wege beschriften. Erstens wird versucht, durch eine Vorbehandlung der Güllesubstrato außerhalb des eigentlichen Methanreaktors die Biogasausbeute zu erhöhen und zweitens, den Bedarf an jBiptechnologischen two-way slurry treatment label. First, an attempt is made to increase the biogas yield by pretreatment of the Güllesubstrato outside the actual methane reactor and second, the need for j

Prozeßenergie zur Erwärmung des Fermentationsmediums bzw. zur Umwälzung der Reaktoren zu reduzieren. |To reduce process energy for heating the fermentation medium or for circulating the reactors. |

Die erstgenannten Verfahren konzentrieren sich neben einer physikalischen Vorbehandlung (z. B. US 4401565) auf mikrobielle ! Voraufschlüsse der Substrate unter anaeroben oder aoroben Bedingungen. Insbesondere zur Methanerzeugung aus Flüssigmist ) sind eine Vielzahl von Verfahren konzipiert, die durch Vorsäuerung vor dor 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 die Effektivität der Methanstufe J weiter erhöhen soll (DE 3102739). iThe first mentioned methods focus on a physical pretreatment (eg US 4401565) on microbial! Preliminary digestion of the substrates under anaerobic or aorobic conditions. In particular, for methane production from liquid manure ) , a variety of methods are designed to allow a more effective process design by pre-acidification prior to actual methane fermentation (two-stage process, eg DE .2821796, US 4022665, CH 495302, GB 2013170), wherein also in the substrate contained solids the Vorsäuerung can be separated, which is to increase the effectiveness of the Methanstufe J further (DE 3102739). i

Daneben gewinnen zunehmend Verfahren der enzymatischen Vorbehandlung an Bedeutung, die die Enzymsysteme aerober !In addition, methods of enzymatic pretreatment, which the enzyme systems aerobic!

Mikroorganismen zum Voraufschluß vergärbarer organischer Substanz nutzen. (DD 217786, US 4350588, DE 3327541) |Use microorganisms to pre-digest fermentable organic matter. (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 losonderem Interesse. jSuch processes are because of the exergonic course of the aerobic stage and the use of this heat as process heat! for the anaerobic stage of energetic aspects of loose interest. j

Zur Vorminderung des Einsatzes an Prozeßenergie zur Umwälzung der Reaktoren wird auf eine scherkraftarme Durchmischung j orientiert, um die Symbiose der cn 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. 'In order to minimize the use of process energy for circulating the reactors, a shearing-off mixture j is oriented in order not to negatively influence the symbiosis of the bacterial cultures involved in the methane formation. In the method described in DD 207696, the heat is applied immediately after the circulation pump. By the heat supply, the gas solubility in the mixture is reduced and achieved by the escaping gas in the riser a buoyancy effect. '

Während der Abwärtsbewegung bleibt das Gas durch den hydrodynamischen Druck gelöst. Die Vorrichtungen nach DE 3309300 sowie DE 3309299 weisen in den Reaktionsräumen mindestens eine Umlaufstromführung zur Erzeugung einer Umlaufströmung auf bzw. durch die Trennung in zwei Reaktionsräume wird die Schwerkraftwirkung vermindert. Zur selbsttätigen Umwälzung von ausfaulender Biomasse wird auch der selbsterzeugte Gasdruck genutzt (DE 3230010).During the downward movement, the gas remains dissolved by the hydrodynamic pressure. The devices according to DE 3309300 and DE 3309299 have in the reaction chambers at least one circulation flow guide for generating a circulating flow or by the separation into two reaction chambers, the gravitational effect is reduced. For self-circulation of ausfaulender biomass and the self-generated gas pressure is used (DE 3230010).

Neben diesen Verfahren mit ideal durchmischten Reaktoren gewinnen insbesondere in der Abwassertechnik zur Aufbereitung industrieller Abwässer bzw. zur Klärschlammfaulung Verfahren mit substratspezifischer Stofführung zunehmond an Bedeutung. j 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 Trägermamialien zu trennen (DE 3134879. DE 2748313, DE 2520742).In addition to these processes with ideally mixed reactors, processes with substrate-specific material handling are becoming increasingly important, particularly in wastewater technology for the treatment of industrial wastewater or for sludge digestion. With a device for the anaerobic purification of wastewater, the sludge is separated from the digested water in a secondary clarification chamber and returned to the reaction space (DE 2728585). Besides these so-called contact methods, solutions have been proposed. Separate sludge and substrate within the reactor by fixing the biomass to Trägermamialien (DE 3134879. DE 2748313, DE 2520742).

Während Verfahren mit substratspezifischer Stufführung in der Abwasseiluchnik schon angewendet werden, sind sie für landwirtschaftliche Formentationsrohstoffe wie Gülle noch keine allgemeine Praxis, weil die hohen Belastungen sowie feststoffenthaltende Dispersionen technologisch nur schwer boherrschbar sind.While procedures with substrate-specific stage guidance in wastewater technology are already used, they are still not a general practice for agricultural molding raw materials such as manure, because the high loads and solids-containing dispersions are technologically difficult to control.

Für die anaerobe Fermentation von Gülle ist deshalb der ideal durchmischte Reaktor mit unterschiedlichen Strömungsführungen (Umlaufströmung im Schlaufenreaktor, Pfropfenströmung im Gärkinal) Stand der Technik. Für einen ideal durchmischten Reaktor mit Schlaufenströmung z. B. sind aber für die Umwälzung 35 bis 40Wh/m³ d zum Betreiben eines entsprechenden Aggregates notwendig. In Gülle als kolloid dispersem Fermentationsmedium liegen die zu Biogas utillisierbaren Kohlenstoffverbindungen sowohl in gelöster als auch in ungelöster Form vor, dio sich in der Reaktionsgeschwindigkeit ihres Abbaus unterscheiden. Diese spezifischen Eigenschaften von Flüssigmistsubstraten finden in ideal durchmischten Reaktoren keine Berücksichtigung.For the anaerobic fermentation of liquid manure, therefore, the ideally mixed reactor with different flow guides (circulating flow in the loop reactor, plug flow in the fermentation tank) is state of the art. For an ideal mixed reactor with loop flow z. B. but are necessary for the circulation 35 to 40Wh / m ³ d to operate a corresponding unit. In liquid manure as a colloidally disperse fermentation medium, the biogas-upgradable carbon compounds are present in both dissolved and undissolved form, differing in the rate of their degradation. These specific properties of liquid manure substrates are not considered in ideally mixed reactors.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Biogas aus Schweinegülle oder ähnliciien Substraten mit einer Stofführung, die die spezifischen Eigenschaften des Mediums berücksichtigt und eine auf die eingesetzte organische Substanz hohe Biogasausboute sowie hohe Biogasbildungsgeschwindigkeit erreicht bei gleichzeitiger Entlastung der Gülle bezüglich umweltbelastender Inhaltsstoffe.The aim of the invention is the production of biogas from pig manure or similar substrates with a material guide, which takes into account the specific properties of the medium and a high biogas Ausboute on the organic substance used and high biogas production speed achieved while relieving the manure with respect polluting ingredients.

Explanation of the essence of the invention

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die in Schweinegülle vorhandenen organischen Inhaltsstoffe bei hoher Biogasbildungsgeschwindigkeit und minimalem Einsatz zur Umwälzung der Reaktionsmasse maximal für die mikrobielle Methanerzeugung zu nutzen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Stofführung im Biogasreaktpr gewählt wird, die die spezifischen Eigenschaften der Gülle hinsichtlich des mikrowellen Abbaus der Inhaltsstoffe berücksichtigt. Dazu wird die Sedimentation der in der Gülle enthaltenen ungelösten Feststoffe technisch genutzt. Die Gülle wird in einem vertikalon Reaktor im unteren Teil zudosiert. Mit einer außerhalb der Reaktoren liegenden Umwälzpumpe wird im untersten Teil des Reaktors eine tangential Rotationsströmung erzeugt, so daß die absetzbaren Stoffe in einem entsprechenden Strömungsfeld in der Schwebe gehalten werden, d. h. die tangential Strömung wirkt auch gegen die Flotation dieser Teilchen. Die zudosierte Gülle durchfließt das Strömungsfeld, die unlöslichen Bestandteile werden durch Sedimentation und Rotation in der Schwebe gehalten und die foststoffarme Gülle wird am Reaktorkopf entnommen. Die in geringer Menge anfallenden mineralisierten bzw. nicht abbaubaren Bestandteile der Gülle können periodisch oder auch kontinuierlich am Reaktorboden entnommen werden. Damit wird die Verweilzeit von nicht lösbaren und lösbaren Kohlenstoffverbindungen der Gülle und damit von leicht und schwer abbaubaren Inhaltsstoffen entkoppelt. Diese Entkoppeltung ist über die Abnahmemenge am Reaktorboden steuerbar.The invention has as its object to use the organic ingredients present in pig manure with a high biogas formation rate and minimal use for circulating the reaction mass for maximum microbial methane production. According to the invention the object is achieved in that a Stofführung is selected in Biogasreaktpr that takes into account the specific characteristics of the manure with respect to the microwave degradation of the ingredients. For this purpose, the sedimentation of the undissolved solids contained in the slurry is used technically. The manure is added in a vertical reactor in the lower part. With a recirculation pump located outside the reactors, a tangential flow of rotation is created in the lowermost part of the reactor so that the settleable substances are kept in suspension in a corresponding flow field, i. H. The tangential flow also acts against the flotation of these particles. The metered manure flows through the flow field, the insoluble constituents are kept in suspension by sedimentation and rotation, and the low-fiber slurry is removed from the reactor head. The small amount of mineralized or non-degradable components of manure can be removed periodically or continuously at the bottom of the reactor. This decouples the residence time of insoluble and soluble carbon compounds of manure and thus of easily and hardly degradable ingredients. This decoupling is controllable by the amount of intake at the bottom of the reactor.

Bei der Lösung der Aufgabe werden bereits aus der Abwassertechnik bekannte Elemente anaerober Fermentationstechnik so modifiziert und weiterentwickelt, daß eine wesentlich wirtschaftlichere Verfahrensgestaltung resultiert. Der tragende Gedanke der Erfindung ist, eine Erhöhung tier spezifischen Biogasausbeute bei verringertem Energieaufwand zu erreichen und so die Zielstellung nicht nur prinzipiell, sondern auch energiewirtschaftlich und damit ökonomisch akzeptabel zu verwirklichen. In dem erfindungsgemäßen Vorfahren erfolgt die Verwertung der Inhaltsstoffe der Gülle durch ei: :β den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten angepaßte Stofführung.In solving the problem, known elements of anaerobic fermentation technology are already being modified and further developed from wastewater technology in such a way that a considerably more economical process design results. The main idea of the invention is to achieve an increase in animal-specific biogas yield with reduced expenditure of energy and thus to achieve the objective not only in principle, but also in terms of energy and thus economically acceptable. In the ancestor according to the invention, the utilization of the ingredients of the manure is carried out by means of: β the material adapted to the different rates of degradation.

Die Gülle durchströmt nach erfolgter Zugabe gin tangentiales Rotationsströmungsfeld im unteren Teil des Reaktors. In dieser Strömung sei .weben die mit Mikroorganismen besiedelten Bestandteile der Gülle. Die flüssigen Anteile der Gülle worden am Reaktorkopf entnommen, während die festen Bestandteile infolge Sedimentation im Strömungsfeld verbleiben. Die festen Bestandteile werden in einer entsprechend der unterschiedlichen Verweilzeit von Feststoff und Flüssigphase geringeren Menge am Reaktorboden abgeführt. Auf diese Weise wird eine ausreichende Kontaktierung von frischem Substrat und Mikroorganismen mit einem geringen Energieaufwand bei funktionssicherer Verfahrensgestaltung realisiert. Der Fermentationsprozeß ist gekennzeichnet durch:After the addition, the slurry flows through a tangential rotational flow field in the lower part of the reactor. In this current is .weben the colonized with microorganisms components of manure. The liquid components of the slurry were taken from the reactor head, while the solid components remain in the flow field due to sedimentation. The solid constituents are removed in a smaller amount according to the different residence time of solid and liquid phase at the bottom of the reactor. In this way, a sufficient contact of fresh substrate and microorganisms is realized with a low energy consumption and reliable process design. The fermentation process is characterized by:

— eine Temperatur von 24°C bis 4O⁰C₁ vorzugsweise 33°C bis 35°C- A temperature of 24 ° C to 4O ⁰ C _1, preferably 33 ° C to 35 ° C.

— einem pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5- a pH between 7.0 and 8.5

— einer Verweilzeit für die flüssige Phase zwischen 2,5 und 10 Tagen, einer Verweilzeit für die Feststoffe zwischen 20 und 40 Tagen- A residence time for the liquid phase between 2.5 and 10 days, a residence time for the solids between 20 and 40 days

Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwärtig angewandten Verfahren zur Biogasarzeugung sind:The main advantages of the process over currently used biogas production processes are:

— Erhöhung der Biogasausbeute pro Tonne einsetzbarer organischer Substanz und damit Erhöhung der Effizienz des Verfahrens- Increasing the biogas yield per ton of usable organic substance and thus increasing the efficiency of the process

— Verminderung des Einsatzes an Prozeßenergie zur Umwälzung der Reaktoren im Verhältnis zum ideal durchmischten Behälter, da nur der unterste Teil des Reaktors homogenisiert wird- Reduction of the use of process energy to circulate the reactors in relation to the ideally mixed container, since only the lowest part of the reactor is homogenized

— Entkopplung der Verweilzeit von fester und flüssiger Phase der Gülle und somit von mikoorganismenbesiedelten Feststoffen und Substrat und damit größere Entlastung von umweltbelastenden Inhaltsstoffen.- Decoupling of the residence time of solid and liquid phase of the manure and thus of microorganism-settled solids and substrate and thus greater relief of polluting ingredients.

embodiment

Die im Rahmen des Verfahrensbeispieles eingesetzte Gülle entstammt einer industriemäßigen Schweinezuchtanlage. Die '; Grö ßenordnung und die Methoden der Tierhaltung einschließlich des angewendeten Fütterungsregimss bedingen eine imThe slurry used in the process example comes from an industrial pig farm. The '; Size and methods of livestock husbandry, including the feeding regimen used, require a

bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgülle. Die aus den Schweineproduktionsanlagen geförderte Gül'e ist durch folgende mittlere Stoffkennwerte charakterisierbar.certain limits consistent composition of raw manure. The Gül'e promoted from the pig production plants can be characterized by the following mean substance characteristics.

^: TS 35,1 g/l oTS , 25,9g/l C_FS 5,4 g/l ^: TS 35.1 g / l OTS, 25.9 g / l C _FS 5.4 g / l

; N_K 2,9g/l NH₄ ⁺ 1,7 g/l; N _K 2.9 g / l NH ₄ ⁺ 1.7 g / l

Die Fermentation verläuft bei einer Temperatur von 3B°C und einem pH-Wert von 8,0. Die Stofführung wi.d ro gewählt, daß dieThe fermentation takes place at a temperature of 3B ° C and a pH of 8.0. The material management wi.d ro elected that the

Verweilzeit für die Flüssigphase 10 Tage und für die feststoffangereicher,? Phase 30 Tage beträgt. Der Ferme: torablauf ist durch ; folgende Stoffke nnwer te gekennzeichnet:Residence time for the liquid phase 10 days and for the solids-rich ,? Phase is 30 days. The Ferme: torablauf is through; the following materials are marked:

TS 16,9g/l oTS 12,2g/l C_FS 0,32g/lTS 16.9g / l OTS 12.2g / l C _FS 0.32g / l

j N_K 2,9g/l ,NH₄ ⁺ 2,5g/lj N _K 2.9 g / l, NH ₄ ⁺ 2.5 g / l

; Die spezifische Biogasuusbeute beträgt 0,7m³/kg oTS, der Parallelversuch im ideal durchmischten Reaktor ergab 0,45mVkg; The specific Biogasuusbeute is 0.7m ³ / kg oTS, the parallel experiment in the ideal mixed reactor yielded 0.45mVkg

j oTS. Der Methananteil im Biogas ist 73%, der BSB₆-Abbau 94%.YOUTH. The methane content in the biogas is 73%, the BOD ₆ degradation 94%.

Claims

1. A process for the production of biogas from pig manure, chicken manure, cattle manure or the like
Materials, characterized in that the substrate is added to the reactor in the lower part,! the substrate has a tangential rotational flow generated in the lower part of the reactor
happens in which insoluble matter and biomass are kept in suspension, and that

a fouled solids-rich fraction at the bottom of the reactor and a solid material or solid i fraction are taken on the surface of the reaction mass at the reactor head, wherein the j

Withdrawal quantities of the dwell times of the fractions necessary for optimal digestion>

be adapted that a fermentation temperature of 24 ° C to 40 ⁰ C is maintained, that the ph value
between 7.5 and 8.5 and that for the liquid phase a residence time between 2.5 and 10 days
and for the solids a residence time of between 20 and 40 days is realized.

2. The method according to claim 1, characterized in that from the low-solids Güi'lef raktion the J

Solids and the biomass are separated and returned to the biogas reactor.