DD282671A5

DD282671A5 - Verfahren zur anaerobfermentation organischer abprodukte

Info

Publication number: DD282671A5
Application number: DD88312534A
Authority: DD
Inventors: Willi Neumann; Helmut Rueckauf
Original assignee: Tech Hochschule C Schorlemmer
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1990-09-19
Also published as: DE3901404C2; DE3901404A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben mikrobiologischen Abproduktverwertung, das geeignet ist, ammoniakhaltige waeszrige Dispersionen und Loesungen mit biologisch abbaubaren organischen Substanzen, so Abprodukte der Landwirtschaft, wie Guellen, so Abprodukte der Lebensmittelindustrie, wie Schlachtabfaelle und Abprodukte der chemischen Industrie unverduennt zu sogenanntem Biogas und hochwertigen natuerlichen Duengemitteln umzuwandeln. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz nach dem bekannten Substratabbau zu Carbonsaeuren eine Selbstalkalisierung des Faulschlamms durch die anaerobe Fermentation ueberraschender Weise ausgenutzt werden kann, um aus einem Teil des ausgekreisten Reaktionsmediums allein oder im Gemisch mit Substrat, Ammoniak zu entfernen. Das Gemisch kann ohne Zusatz von Verduennungsmitteln fermentiert werden, so dasz Biogas und hochwertige Duengemittel entstehen.{Biogas; mikrobiologische Abproduktverwertung; anaerobe Fermentation; ammoniakhaltige organische Abprodukte; unverduennte Verarbeitung von Abprodukten; Duengemittel; Faulschlamm}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben nikrobiologischen Abproduktverwertung, das geeignet ist, ammoniakhaltige wäßrige Dispersionen und Lösungen mit biologisch abbaubaren organischen Substanzen, so Abprodukte dor Landwirtschaft, wie Güllen, so Abprodukte der Lebensmitteiindust ie, wie Schlachtabfälle und Abprodukte der chemischen Industrie unverdünnt zu sogenanntem Biogas und hochwertigen natürlichen Düngemitteln umzuwandeln.

Cha'akterisierung des bekannten Standes der Technik

Es ist allgemein bekannt, daß organische St iffe, bevorzugt Abprodukte aus verschiedenen Produktionszweigen, mikrobiologisch unter anaeroben Bedingungen in ein hochwertiges brennbares Gas, sogenanntes Biogas umgewandelt werden können. Dabei erfolgt der Abbau der organischen Bestandteile, vorwiegend Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette, zweistufig. Sogenannte siurebildende Bakterien spalten die Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette in niedermolekulare Fettsäuren, die danach in einer zweiten Stufe durch mrühanbildende Bakterien weiter in Methan und Kohlendioxid umgewandelt werden. Es ist weiter allgemein bekannt, daß ein steigender Ammoniak- bzw. Ammoniumgehalt die methanbildenden Mikroorganismen erst hemmt und bei hoher Ammoniak- bzw. Ammoniumkonzentration irreversibel schädigt. Die Ammoniak- bzw. Ammoniumkonzentration wird von den methanbildenden Mikroorganismen in Abhängigkeit von den Milieubedingungen, wie Pufferwirksamkeit des Substrates, pH-Wert usw., unterschiedlich toleriert. Kaltwasser (B. J. Kaltwasser: Biogas regenerative Energieerzeugung durch anaerobe Fermentation organischer Abfiele in Biogasanlagen, Bauverlag Berlin 1980) gibt eine Abhängigkeit der sogenann.en Ammoniaktoxizität für ammonium- bzw. ammoniakhaltige Substrate an, aus der hervorgeht, daß bei steigenden pH-Werten z. B. von 7,5 auf 8,0 eine starke Erhöhung der Ammoniumtoxizität beobachtet wird. Des weiteren ist bekannt, daß Abprodukte mit hohen Ammonium- bzw. Ammoniakkonzentrationen sich nur dann anaerob fermentieren lassen, wenn diese Hemmstoffkonzentration durch Verdünnen mit Wasser oder Abwasser abgesenkt wird (E. Scheurer: Untersuchungen zum anaeroben Abbau von Hühnerflüssigmist; Dissertation Universität Hohenheim 1986) Durch diese Verdünnung steigt jedoch din für die mesophile oder termophile Fermentation aufzuheizende Flüssigkeitsmenge des Substrates und die anschließend zu verwertende Faulgutmenge stark an, was sich u. a. nachteilig auf den Heizenergiebetrag, die Reaktorgröße und die Transportkostr η auswirkt.

Es ist bekannt, daß Ammoniak aus verdünnten Lösungen beseitigt werden kann. Dabei sind prinzipiell 3 Methoden gebräuchlich:

- die destillati»"« Entfernung aus alkalisch reagierenden Ammoniak enthaltenden Flüssigkeiten DE PS 3520934

- die Alkalisierung mittels Basen, wie AiKaIi- oder Erdalkalibason und Gasstrippung des Ammoniaks aus ammoniakhaltigen Flüssigkeiten DE OS 2722419

- die Kopplung von Alkalisierung und Dampfstrippung zur Ammoniakentfernung DE OS 2911745, DE OS 2722559.

Im DE Patent 2952794 wird die Möglichkeit der Kopplung von Alkalisierung und Dampfstrippung zur Ammoniakbeseitigung für Gülle beschrieben.

Ammonium- bzw. ammoniakenthaltende organisch «-produkte reagieren in den meisten Fällen durch den o.g. ersten Schritt des Substratabbaues zu Carbonsäuren neutral bzw. schwach sauer.

Aus diesen Substraten kann nur nach Alkalisierung durch Strippung in der beschriebenen Weise Ammoniak abgetrennt werden.

Diese Methode verlangt jedoch den Einsatz molarer Mengen Basen, bezogen auf das abzutrennende Ammoniak.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein neues ana ii ibes mikrobii'ogisches Verfahren zu entwickeln, das er. ermöglicht, ammonium- bzw. ammoniakhaltige wäßrige Dispersions .ind Lösungen, die biologisch abbaubare organische Substanzen enthalten, so Abprodukte der Landwirtschaft, wie Güllen, so Abprodukte der Lebensmittelindustrie, wie Schlachtabfälle und Abprodukte der chemischen Industrie unverdünnt zu Biogas und hochwertigen Düngemitteln umzuwandeln und dabei das enthaltene Ammoniak abzutrennen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur anaeroben mikrobiellen Fermentation ammonium- bzw. ammoniakhaltiger wäßriger Dispersionen und Lösungen, die biologisch abbaubare organische Substanzen enthalten, zu entwickeln, das ermöglicht, dos Substrat unverdünnt zu Biogas und hochwertigen Düngemitteln umzuwandeln und das enthaltene Ammoniak teilweise oder vollständig abzutrennen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß nach dem bekannten Substratabbau zu Carbonsäuren bei Temperaturen von 0-65⁰C eine Selbstalkalisierung des Faulschlammes durch die anaerobe Fermentation überraschenderweise ausgenutzt werden kann, um aus einem Teil des ausgekreisten Reaktionsmediums allein oder im Gemisch mit Substrat, durch Dampfen oder Gasstrippung Ammoniak zu entfernen. Das sowohl ammonium- bzw. ammoniakverringerte Gemisch, als auch der ammonium- bzw. ammoniakverringerte Teil des Faulschlammes kann allein oder im Gemisch mit ammonium- bzw. ammoniakreichem Substrat nach Rückführung in das Reaktionssystem ohne Zusatz von Verdünungsmitteln fermentiert werden, so daß Biogas und hochwertige Düngemittel entstehen.

Die Selbstalkalisierung erfolgt dadurch, daß bei der anaeroben Fermentation organische Säuren zu Methan und Kohlendioxid umgewandelt werden, die als Gase das Reaktionssystem verlassen. Dadurch steigt während der Fermentation der pH-Wert an. Bei stark ammonium- bzw. ammoniakhaltigen Substraten erfolgt durch die&rn pH-Wert-Anstieg auf über 7 eine Selbstalkalisierung. Obwohl sich durch diesen steigenden pH-Wert die Ammoniaktoxizität für die Mikroorganismen verstärkt, macht erst die Kombination der Ammoniakstrippung bei hohen pH-Werten aus einem Teil des Faulgutes vor bzw. nach der Vermischung mit ammonium- bzw. ammoniakreichem Substrat eine mikrobielle anaerobe Fermentation des Substrates ohne Verdüngungsmittel möglich. Bei wenig ammonium- bzw. ammoniakhaltigen Substraten tritt die Selbstalkalisierung erst nach Abpufferung des Frischsubstratiö mit Alkali- bzw. Erdalkalibasen und anschließender Fermentation ein. D mach ist die Ammoniakstrippung selbst bei geringen Ammonium- bzw. Ammoniakkonzentrationen möglich.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

In einem Biogasreaktor von 201 Inhalt und einem Reaktionsvolumen von 181 wird kontinuierlich Hühnergülle bei einer Temperatur von 35°C fermentiert. Der Reaktor wird alle 24 Stunden mit 0,6! Hühnergülle beschickt, so daß sich eine durchschnittliche mittlere Verweilzei. der Reaktionsn-asse von 30 Tagen ergibt. Die verwendete Hühnergülle besitzt folgende Eigenschaften:

- Konzentration des Feststoffgehaltes 22,3Ma.-%

- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 16,2Ma.-%

- Konzentration des freien Ammoniaks 11,0g/l

- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, bezogen auf Essigsäure 19,7g/l. Die Dosierung wird wie folgt durchgeführt:

0,31 Faulschlamm werden dem Reaktor entnommen und mit 0,61 frischem Substrat vermischt. Dieses Gemisch wird einer Wasserdampfdesti ,ation unterzogen. Es werden 65,0ml Kondensat mit einem Ammoniakgehalt von 6,0g erhalten. Das in seinem Ammonium- bzw. Ammoniakgehalt verarmte Gemisch wird dem Reaktor zur Fermentation zugegeben und 0,235I Faulschlamm werden zur Einhaltung der Konstanz des Reaktionsvolumens abgezogen. Der Reaktor produziert 50,Ol Biogas in 24 Stunden. Der Ammonium- bzw. Ammoniakgehalt im Faulgut schwankt zwischen 4,5-6,5 g/l. Der pH-Wert des Faulschlammes ist durch Selbstalkalisierung infolge der Fermentation gegenüber dem Frischsub^trat trotz Ammoniakabtrennung von 6,5 auf 8,4 gestiegen.

Beispiel 2

In einem Biogasreaktor von 20,Ol Inhalt und einem Reaktionsvolumen von 18,01 wird kontinuierlich Kühnergülle bei einer Temperatur von 35⁰C fermentiert. Der Reaktor wird alle 24 Stunden mit 0,61 Hühnergülle beschickt, so daß sich eine durchschnittliche mittlere Verweilzeit der Reaktionsmasse von 30 Tagen ergibt. Die verwendete Hühnergülle besitzt folgende Eigenschaften:

- Konzentration des Feststoffgehaltes 22,3Ma.-%

- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 16,2 Ma.-%

- Konzentration des freien Ammoniaks 11,0g/l

- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, bezogen auf Essigsäure 19,7g/l.

Die Dosierung erfolgt, indem 11 Faulschlamm entnommen wird. Dieser Faulschlamm wird bei 35⁰C einer Ammoniakstrippung im Vakuum unterzogen. Es werden 75g Destillat mit einem Ammoniakgehalt von 6,5 g erhalten. Der ammonium- bzw. ammoniakreduzierte Faulschlamm wird mit 0,31 Frischsubstrat zur Verbesserung dessen Fließeigenschaften vermischt und dem Reaktor zugegeben. Zur Einhaltung der Konstanz des Reaktionsvolumens werden 0,225I Faulschlamm aus dem Reaktor entnommen.

Beispiel 3

In einem Biogasreaktor von 20I Inhalt und einem Reaktionsvolumen von 181 wird kontinuierlich ein Gemisch, bestehend aus 40% homogenisierten Schlachtabfällen und 60% Schweinegülle fermentiert. Das Substratgemisch besitzt folgende ^c;genschaften:

- Konzentration des Feststoffgehaltes 7,1 Ma.-%

- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 6,05Ma.-%

- Konzentration des Ammonium- bzw. Ammoniakstickstoffs 4,5g/l

- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, bezogen auf Essigsäure 8,2g/l

- pH Wort 6,5.

Die Dosierung wird wie folgt durchgeführt:

Dem Reaktor wird eine Substratgemischmenge von 1,81 zugeführt und damit eine mittlere Verweilzeit von 10 Tagen realisiert. Dieses Substrat wird durch Zugabe von 2g Soda oder Kalk auf einen pH-Wert von 6,8 angehoben. Diese pH-Wert-Anhebung reicht aus, daß infolge der Fermentation eine Selbstaikalisierung auf einen pH-Wert von 8,0 eintritt. Zur Aufrechterhaltung der Konstanz des Reaktionsvolumons werden dem Reaktor 1,81 Faulschlamm entnommen. Dieser Faulschlamm wird im Vakuum bei 4O⁰C einer Ammoniakstrippung unterzogen. Dabei werden 120ml einer 8g Ammoniak enthaltenden Lösung gewonnen. Der Reaktor produziert 37,21 Biogas in 24 Stunden.

Claims

1. Verfahren zur anaeroben mikrowellen Fermentation ammonium- bzw. ammoniakhaltiger wäßriger Dispersionen und Lösungen, die biologisch abbaubare Substanzen enthalten, gekennzeichnet dadurch, daß nach dem an sich bekannten Substatabbau zu Carbonsäuren bei Temperaturen von 0-65⁰C eine Selbstalkalisierung des Reaktionsmediums und dem damit verbundenen Anstieg des pH-Wertes auf über 7 dazu ausgenutzt wird, den vorerst im Substrat als Ammoniumsalz oder organisch gebunden vorliegenden Stickstoff in flüchtiges Ammoniak überzuführen, mit physikalischen Trennmethoden abzutrennen, um so mit Stickstoff belastete Substrate unverdünnt fermentieren j können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil des durch die mikrobiologische Fermentation selbstalkalisierten Faulschlammes ausgekreist, sein Ammoniakgehalt auf 0,1-8,0g/l reduziert wird, vorzugsweise auf 1,0-4,0g/l und dann dem Reaktor wieder zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil des di;rch die mikrobiologische Fermentation selbstalkalisierten Faulschlammes ausgekreis·.. mit Frischsubstrat in einem solchen Verhältnis gemischt wird, daß dieses Gemisch alkalisch vQi gisrt, daraus Ammoniak abgetrennt, und das Gemisch danach dem Reaktor wieder zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß durch die Anhebung des pH-Wertes im FrischsubsLrat bis zu dessen neutraler Reaktion durch Zugabe von Alkali- oder Erdalkalibasen eine Selbs'calkalisierung durch die mikrobielle Fermentation erst ermöglicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem durch die mikrobielle Fermentation selbstalkalisierten Faulschlammes nach dessen Entfernung aus dem Reaktionssystem zur Umweltentlastung Ammoniak abgetrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß die Ammoniakabtrennung durch Strippung mit einem Inertgas oder Wasserdampf erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Ammoniakabtrennung durch Reduzierung des Druckes bis zur Flüchtigkeit des Ammoniaks erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Anwendung e'nes thermischen Ammoniakabtrennverfahrens Q^:e Aufheizung des ammoniakreichen Teils des Reai. "-mssystems durch den ammoniakarmen Teil des Reaktionssystems erfolgt.