DD282671A5 - PROCESS FOR ANAEROBFERMENTATION OF ORGANIC PRODUCTS - Google Patents
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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}The invention relates to a method for anaerobic microbiological waste product utilization, which is suitable, ammonia-containing aqueous dispersions and solutions with biodegradable organic substances, so agricultural waste, such as guellen, so waste products of the food industry, such as slaughterhouse and chemical by-products of the chemical industry to so-called biogas and to convert high quality natural fertilizer. The object is achieved by the fact that after the known substrate degradation to carboxylic acids a self-alkalization of the digested sludge can be exploited by the anaerobic fermentation in a surprising manner to remove from a portion of the circled reaction medium alone or in admixture with substrate, ammonia. The mixture can be fermented without the addition of disinfestants, so that biogas and high quality fertilizers are produced. {Biogas; microbiological waste product utilization; anaerobic fermentation; ammonia-containing organic waste products; unprocessed processing of waste products; Fertilizer; Sludge}
Description
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.The invention relates to a method for anaerobic microbiological waste product utilization, which is suitable ammonia-containing aqueous dispersions and solutions with biodegradable organic substances, so Abprodukte dor agriculture, such as manure, so Abprodukte the Lebensmitteiindust ie, slaughterhouse waste and chemical by-products undiluted to so-called biogas and high quality natural fertilizers.
Cha'akterisierung des bekannten Standes der TechnikCharacterization of the known prior art
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.It is well known that organic St iffe, preferably waste products from various production branches, microbiologically under anaerobic conditions in a high-quality combustible gas, so-called biogas can be converted. The decomposition of the organic components, mainly carbohydrates, proteins and fats, takes place in two stages. So-called acid-forming bacteria break down the carbohydrates, proteins and fats into low-molecular-weight fatty acids, which are then further converted into methane and carbon dioxide in a second stage by premature bacteria. It is also generally known that an increasing ammonia or ammonium content first inhibits the methane-forming microorganisms and irreversibly damages them at high ammonia or ammonium concentrations. The ammonia or ammonium concentration is differently tolerated by the methane-forming microorganisms depending on the environmental conditions, such as buffering efficiency of the substrate, pH, etc. Cold water (B.J. cold water: Biogas regenerative energy production by anaerobic fermentation of organic waste in biogas plants, Bauverlag Berlin 1980) indicates a dependence of sogenann.en Ammoniaktoxizität for ammonium or ammonia-containing substrates, from which it appears that with increasing pH values z. B. from 7.5 to 8.0 a large increase in the ammonium toxicity is observed. Furthermore, it is known that waste products with high ammonium or ammonia concentrations can be fermented anaerobically only if this inhibitor concentration is lowered by dilution with water or wastewater (E. Scheurer: Studies on anaerobic degradation of chicken manure, Dissertation University of Hohenheim 1986) However, this dilution increases din for the mesophilic or thermophilic fermentation to be heated liquid amount of the substrate and the then to be used Faulgutmenge strongly what u. a. adversely affects the amount of heating energy, the reactor size and the Transportkostr η.
Es ist bekannt, daß Ammoniak aus verdünnten Lösungen beseitigt werden kann. Dabei sind prinzipiell 3 Methoden gebräuchlich:It is known that ammonia can be eliminated from dilute solutions. There are basically 3 methods in use:
- die destillati»"« Entfernung aus alkalisch reagierenden Ammoniak enthaltenden Flüssigkeiten DE PS 3520934- The distillati »" «removal of alkaline ammonia-containing liquids DE PS 3520934
- die Alkalisierung mittels Basen, wie AiKaIi- oder Erdalkalibason und Gasstrippung des Ammoniaks aus ammoniakhaltigen Flüssigkeiten DE OS 2722419- Alkalization by means of bases, such as AiKaIi- or alkaline earth and gas stripping of ammonia from ammonia-containing liquids DE OS 2722419
- die Kopplung von Alkalisierung und Dampfstrippung zur Ammoniakentfernung DE OS 2911745, DE OS 2722559.- The coupling of alkalization and steam stripping for removal of ammonia DE OS 2911745, DE OS 2722559.
Im DE Patent 2952794 wird die Möglichkeit der Kopplung von Alkalisierung und Dampfstrippung zur Ammoniakbeseitigung für Gülle beschrieben.In DE Patent 2952794 the possibility of coupling of alkalization and Dampfstrippung for removing ammonia for liquid manure is described.
Ammonium- bzw. ammoniakenthaltende organisch «-produkte reagieren in den meisten Fällen durch den o.g. ersten Schritt des Substratabbaues zu Carbonsäuren neutral bzw. schwach sauer.Ammonium or ammonia-containing organic products in most cases react by the above-mentioned. first step of substrate degradation to carboxylic acids neutral or slightly acidic.
Aus diesen Substraten kann nur nach Alkalisierung durch Strippung in der beschriebenen Weise Ammoniak abgetrennt werden.From these substrates ammonia can be separated only after alkalization by stripping in the manner described.
Diese Methode verlangt jedoch den Einsatz molarer Mengen Basen, bezogen auf das abzutrennende Ammoniak.However, this method requires the use of molar amounts of bases, based on the ammonia to be separated.
Ziel der ErfindungObject of the invention
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.The aim of the invention is to develop a novel ana ibes mikrobii'ogisches method that he. allows ammonium- or ammonia-containing aqueous dispersions .indepositions containing biodegradable organic substances, so agricultural by-products, such as manure, so waste products of the food industry, such as slaughterhouse waste and chemical by-products convert undiluted to biogas and high-quality fertilizers and thereby the Separate ammonia contained.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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.The object of the invention is to develop a novel process for anaerobic microbial fermentation ammonium- or ammonia-containing aqueous dispersions and solutions containing biodegradable organic substances, which allows the substrate undiluted to convert biogas and high quality fertilizers and the ammonia contained partially or completely separate.
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.According to the invention the object is achieved in that after the known substrate degradation to carboxylic acids at temperatures of 0-65 0 C, a self-alkalization of the digested sludge can be surprisingly exploited by the anaerobic fermentation to from a portion of the stripped reaction medium alone or in admixture with substrate, by Steam or gas stripping to remove ammonia. The both ammonium or ammonia-reduced mixture, as well as the ammonium or ammonia-reduced part of the digested sludge can be fermented alone or in admixture with ammonium or ammonia-rich substrate after recycling in the reaction system without the addition of diluents, so that biogas and high-quality fertilizers arise.
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.The self-alkalization is effected by the fact that in the anaerobic fermentation organic acids are converted to methane and carbon dioxide, which leave the reaction system as gases. As a result, the pH increases during the fermentation. For strongly ammonium- or ammonia-containing substrates, a pH rise to more than 7 causes self-alkalization. Although the ammonia toxicity for the microorganisms is enhanced by this rising pH value, only the combination of the ammonia stripping at high pH values from part of the digested material before or after mixing with ammonium- or ammonia-rich substrate makes a microbial anaerobic fermentation of the substrate possible without thinner. In the case of substrates containing little ammonium or ammonia, self-alkalization occurs only after buffering of the fresh substrate with alkali or alkaline earth bases and subsequent fermentation. D mach ammonia stripping is possible even at low ammonium or ammonia concentrations.
Ausführungsbeispieleembodiments
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:In a biogas reactor of 201 content and a reaction volume of 181, chicken manure is fermented continuously at a temperature of 35 ° C. The reactor is charged every 0.6 hours with 0.6! Fed chicken manure, so that an average mean residence time. the reaction time of 30 days. The chicken manure used has the following properties:
- Konzentration des Feststoffgehaltes 22,3Ma.-%- Concentration of the solids content 22.3Ma .-%
- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 16,2Ma.-%- Concentration of the organic solids content 16.2Ma .-%
- Konzentration des freien Ammoniaks 11,0g/l- Concentration of free ammonia 11,0g / l
- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, bezogen auf Essigsäure 19,7g/l. Die Dosierung wird wie folgt durchgeführt:- Concentration of volatile organic fatty acids, based on acetic acid 19.7g / l. The dosage is carried out as follows:
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.0.31 digested sludge are removed from the reactor and mixed with 0.61 fresh substrate. This mixture is subjected to steam distillation. 65.0 ml of condensate with an ammonia content of 6.0 g are obtained. The mixture, which is depleted in its ammonium or ammonia content, is added to the reactor for fermentation and 0.235 l of digested sludge are drawn off to maintain the constancy of the reaction volume. The reactor produces 50, oil biogas in 24 hours. The ammonium or ammonia content in the digestate varies between 4.5-6.5 g / l. The pH of the digested sludge has risen from 6.5 to 8.4 due to self-alkalisation as a result of the fermentation compared to the fresh substrate despite ammonia separation.
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:In a biogas reactor of 20, oil content and a reaction volume of 18.01 Kühnergülle is continuously fermented at a temperature of 35 0 C. The reactor is charged with 0.61 chicken slurry every 24 hours to give an average mean residence time of the reaction mass of 30 days. The chicken manure used has the following properties:
- Konzentration des Feststoffgehaltes 22,3Ma.-%- Concentration of the solids content 22.3Ma .-%
- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 16,2 Ma.-%- Concentration of the organic solids content 16.2% by mass
- Konzentration des freien Ammoniaks 11,0g/l- Concentration of free ammonia 11,0g / l
- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, bezogen auf Essigsäure 19,7g/l.- Concentration of volatile organic fatty acids, based on acetic acid 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.The dosage is made by taking 11 digested sludge. This digested sludge is subjected to ammonia stripping in vacuo at 35 ° C. 75 g of distillate with an ammonia content of 6.5 g are obtained. The ammonia- or ammonia-reduced sludge is mixed with 0.31 fresh substrate to improve its flow properties and added to the reactor. To maintain the constancy of the reaction volume, 0.225 l digested sludge is removed from the reactor.
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:In a biogas reactor of 20I content and a reaction volume of 181, a mixture consisting of 40% homogenised slaughterhouse waste and 60% pig slurry is continuously fermented. The substrate mixture has the following c; characteristics:
- Konzentration des Feststoffgehaltes 7,1 Ma.-%- Concentration of the solids content 7.1 Ma .-%
- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 6,05Ma.-%- Concentration of the organic solids content 6.05Ma .-%
- Konzentration des Ammonium- bzw. Ammoniakstickstoffs 4,5g/l- Concentration of ammonium or ammonia nitrogen 4.5g / l
- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, bezogen auf Essigsäure 8,2g/l- Concentration of volatile organic fatty acids, based on acetic acid 8.2 g / l
- pH Wort 6,5.- pH word 6.5.
Die Dosierung wird wie folgt durchgeführt:The dosage is carried out as follows:
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.The reactor is supplied to a substrate mixture quantity of 1.81 and thus realized an average residence time of 10 days. This substrate is raised to a pH of 6.8 by adding 2 g of soda or lime. This pH increase is sufficient to self-alkalinize to pH 8.0 as a result of the fermentation. In order to maintain the constancy of the reaction volume, 1.81 digested sludge are taken from the reactor. This digested sludge is subjected under vacuum at 4O 0 C an ammonia stripping. 120 ml of a solution containing 8 g of ammonia are recovered. The reactor produces 37.21 biogas in 24 hours.
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