DD291743A5 - Verfahren zur erhoehung der produktivitaet von biogasanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhoehung der Produktivitaet von Biogasanlagen mit mindestens zwei Reaktoren fuer Schweineguelle oder aehnliche Substrate mit einem TS-Gehalt unter 6% vor allem dort, wo eine ganzjaehrige Verarbeitung des Substrates erforderlich, aber eine ganzjaehrige Verwertung des erzeugten Biogases nicht moeglich ist. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas bereitzustellen, das eine Erhoehung der Gasproduktion und der spezifischen Gasausbeute sowie erwuenschte Schwankungen der Gasproduktion auch bei konstant anfallender Substratmenge ermoeglicht. Erfindungsgemaesz wird diese Aufgabe dadurch geloest, dasz durch zeitlichen Wechsel der Reaktionsfuehrung zwischen einem Verfahrensschritt mit Reihenschaltung der Reaktoren und einem Verfahrensschritt mit Parallelschaltung die Moeglichkeit realisiert wird, das instationaere UEbergangsverhalten des mikrobiellen Stoffwechselprozesses zur Steuerung und Erhoehung der Gasproduktion und -ausbeute zu nutzen. Die Erfindung kann in Biogasanlagen der Landwirtschaft, Wasserwirtschaft und Nahrungsgueterwirtschaft angewendet werden.{Biogas; Gasausbeute; Gasproduktion; Reaktionsfuehrung; Reihenschaltung; Parallelschaltung; Schweineguelle; Steuerung; UEbergangsverhalten; Verwertung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Schweinegülle oder ähnlichen organischen Materialien, die im Bereich der Landwirtschaft, Nahrungsgüterwirtschaft und Wasserwirtschaft anfallen. Die Erfindung ist in die IPK C02F11/04 einzuordnen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die gegenwärtig betriebenen Biogasanlagen beruhen hinsichtlich der Reaktionsführung auf dem Prinzip des ideal durchmischten Reaktors. Der Nachteil dieses Prinzips besteht darin, daß ein großer Teil der sich ständig vermehrenden Biomasse mit der Entsorgung der Reaktoren ausgespült wird und damit der Erhöhung der Produktivität der Reaktoren Grenzen gesetzt sind. Besonders bei der anaeroben Fermentation ist dieser Nachteil prägnant, da die am Stoffwechsel beteiligten Mikroorganismen nur sehr langsam wachsen. Zur Erhöhung der Effizienz von Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Gülle oder ähnlichen Substraten werden neben der Verbesserung der Ausrüstungstechnik im wesentlichen drei Wege der Prozeßgestaltung beschritten.

Erstens wird versucht, einen Intensivierung des mikrowellen Stoffwechselprozesses zur Verbesserung der Raum-Zeit-Ausbeute zu realisieren. Hierzu sind zahlreiche Lösungen bekannt, wie die aerobe Vorbehandlung des Substrates (DE 2805054), Rückführung von aktiver Biomasse (JP 60-220199, DE 2728585), Fixierung der Biomasse an Trägermaterialien (DD 235247, JP 57-187096) und substratspezifische Stofführung (DE 3330696). Diese Lösungen haben den Nachteil, daß mit ihrer Realisierung die Einbindung von vor- und nachgeschalteten Stufen in das Gesamtverfahren bzw. zusätzliche Einbauten in den Reaktoren und damit ein höherer Aufwand verbunden ist. Ein zweiter Weg besteht in der Anwendung von zweistufigen Verfahren zur Trennung von saurer und Methanphase (DE 2821796, CH 495302, US 4022665). Neben diesen beiden Wegen gehen die Bemühungen dahin, Steuerungen des Prozesses zu realisieren. Diese Steuerungen sind darauf gerichtet, Grenzwerte einzuhalten, den Prozeß im stationären Zustand zu fahren sowie Änderungen der Gasproduktion dem Gasbedarf entsprechend zu bewirken. Die dafür notwendigen Steuersysteme (z. B. pH-Wert-Regelung, JP 57-117393) sind bzgl. ihrer Meß- und Regelungstechnik aufwendig und beinhalten nur Teilsteuerungen. Von besonderem Interesse ist die Steuerung der Gasproduktion insbesondere dort, wo eine kontinuierliche, ganzjährige Verwertung des Biogases nicht möglich ist. Bisher wird zur Steuerung bzw. Erhöhung der Gasproduktion neben den mikrobiellen Intensivierungsprozessen eine Änderung der Substratzufuhr hinsichtlich Menge und Konzentration realisiert (JP 59-193200), wobei diese aber bei kontinuierlich anfallendem und zu verarbeitendem Substrat durch Lagerungskapazität und Güllealter nur begrenzt möglich ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Bereitstellung eines geeigneten Verfahren j zur Erzeugung von Biogas aus Schv.'cir.egülle, begehend aus Verfahrensschritten mit unterschiedlicher Reaktionsführung, die Flexibilität und Effizienz einer Biogasanlage zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas in einer Anlage mit mindestens zwei Reaktoren für Substrate mit einem TS-Gehalt unter 6% zu schaffen, das eine Erhöhung der Gasproduktion und der spezifischen Gasausbeute sowie eine Steuerung der Gasproduktion bei konstant anfallendem Substrat ermöglicht. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß während der Fermentation eine unterschiedliche Mikroorganismendichte und Populationszusammensetzung je Reaktionsvolumeneinheit durch Mengenänderung des zugeführten Substrates je Reaktionsvolumoneinheit realisiert wird, indem die Reaktoren wechselweise parallel und in Reihe mit Substrat versorgt werden, wobei die Gesamtsubstratmenge konstant bleibt.

Der Verfahronsschritt mit Parallelschaltung der Reaktoren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoren zu gleichen Teilen mit der anfallenden Substratmenge beschickt werden. In den Reaktoren existiert eine Mikroorganismenpopulation, die jeweils an die gleiche Menge Frischsubstrat angepaßt ist. Der Verfahrensschritt mit Reihenschaltung der Reaktoren ist dadurch charakterisierbar, daß die gesamte anfallende Substratmenge einem ersten Reaktor und Teilsubstrat mit erhöhtem TS-Gehalt aus dem jeweils vorgeschalteten Reaktor r em nachgeschalteten Reaktor zugeführt wird. Wal ι ?nd sich im ersten Reaktor eine Mikroorganismenpopulation befindet, die an die gesamte Frischsubstratmenge angepaßt ist, existiert in den nachgeschalteten Reaktoren eine Population, die qualitäts- und mengenmäßig an das feststoffreiche vorfermentierte Substrat aus den vorgeschalteten Reaktoren adaptiert ist. Werden beide Verfahrensschritte unabhängig voneinander realisiert, stellt sich ein stationärer Zustand entsprechend dem konstanten Substratanfall hinsichtlich Konzentration und Menge ein, d. h. durch den Abbau der kontinuierlich anfallenden Substratmenge mittels konstant eingestellter Mikroorganismenpopulation ergibt sich eine konstante und gleichgroße Gasproduktion.

Werden beide Verfahrensschritte durch wechselweise Anwendung technologisch miteinander kombiniert, ergibt sich ein Prozeßverlauf, der durch stationäre Phasen und instationäre Übergangsphasen gekennzeichnet ist. Die stationären Phasen weisen bei konstanter Gesamtbeschickung eine konstante Gesamtproduktion auf.

Jeweils nach Umstellung von einem zum anderen Verfahrensschritt wird der Prozeß kurzzeitig aus dem stationären Zustand gebracht. Es setzt eine instationäre Phase ein, in der sich die Mikroorgnismenpopulation durch Vermehrung, Absterben und Selektierung an die sprunghaft veränderte Substratführung und -qualität adaptiert. Die Adaption der Mikroorganismen erfolgt nicht wie die Änderung der Substratzufuhr sprunghaft, sondern mit Zeitverzögerung. Dies bewirkt bis zum Erreichen eines erneuten stationären Zutandes eine zeitlich verzögerte Änderung der Gesamtgasproduktion und -ausbeute, ohne daß die Gesamtbeschickungsmenge geändert werden muß. So durchläuft die Gasproduktion und -ausbeute nach der Umstellung von der Parallelschaltung zur Reihenschaltung ein Minimum, nach der Umstellung von der Reihen- zur Parallelschaltung ein Maximum. Unter Berücksichtigung unterschiedlichen Gasbedarfs wird der Wechsel der Reaktionsführung zeitlich so organisiert, daß die größte Gasproduktion zu Zeiten des größten Gasbedarfs auftritt. Erfolgt die Umstellung von der Parallelschaltung zur Reihenschaltung bereits während der instationären Phase der Parallelschaltung, d.h. beim Erreichen erhöhter bzw. maximaler Gasproduktion der Parallelschaltung, kann eine Erhöhung der durchschnittlichen Gasproduktion und -ausbeute erzielt werden. Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, ohnen Änderung der Gesamtbeschickung die Gasproduktion und Gasausbeute zu steuern und zu erhöhen. Die Wahl des zeitlichen Wechsels zwischen beiden Verfahrensschritten ist substratspezifisch und hängt von der Einbindung einer Biogasanlage in die betrieblichen Prozesse des Anwenders ab. Der mikrobielle Prozeß des Gesamtverfahrens ist gekennzeichnet durch:

- eine Temperatur von 25 bis 4O⁰C in den Reaktoren, vorzugsweise 30 bis 35°C

- einen pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5

- eine Verweilzeit beim Verfahrensschritt mit Parallelschaltung von 10 bis 30 Tagen in allen Reaktoren, beim Verfahrensschritt mit Reihenschaltung von 5 bis 15 Tagen im ersten Reaktor und 20 bis 40Tagen in den nachgeschalteten Reaktoren,

- eine minimale Zeitdauer vom Bsginn bis zum Ende der Reihenschaltung, die gleich der Summe der durchschnittlichen Verweilzeiten aller Reaktoren ist, eine minimale Zeitdauer der Parallelschaltung, die gleich der Verweilzeit eines Reaktors, ist.

Die wesentlichsten Vorteile des Verfahrens gegenüber bisher angewandten Verfahren zur Biogaserzeugung sind:

- Erhöhung der Biogasproduktion bzw. der Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Substanz und damit Erhöhung der Effizienz der Biogasanlage

- Erhöhung der Flexibilität und der Effizienz der Biogasanlage hinsichtlich Gasproduktion/Gasbedarf

- Erhöhung der Mikroorganismendichte und Änderung der Populationszusammensetzung und damit höherer Substratumsatz durch eine einfache Reaktionsführung ohne zusätzliche Einbauten bzw. periphere Anlagenteile.

Ausführungsbeispiel

Die im Rahmen des Verfahrensbeispiels eingesetzte Gülle entstammt einer industriemäßigen Schweinezuchtanlage. Die Methoden der Tierhaltung bedingen eine in bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Gülle, die nach Durchlauf einer aeroben Vorstufe folgende Kennwerte aufweist:

TS34,1 g/l; oTS25,1 g/l; FS4,34mg/l; BSB511300g/l; Substratanfall 740mVd.

Die Biogasproduktion verläuft in 2 χ 8000 m³ Reaktoren bei einer Temperatur von 32°C und einem pH-Wert von 8,0. In dem dargestellten Beispiel (Tabelle) wird von einem Verfahrensschritt mit Parallelschaltung im stationären Zustand (Phase 1) mit konstanter Gesamtgasproduktion ausgegangen. Es erfolgt die Umstellung auf ein Verfahrensschritt mit Reihenschaltung, die eine instationäre Übergansphase (Phase 2) bewirkt, bei der die Gasproduktion und -ausbeute ein Minimum durchläuft. Ist der

stationäre Zustand des Verfahrensschrittes mit Reihenschaltung (Phase 3) erreicht, kann die Umstellung auf den Verfahrensschritt mit Parallelschaltung erfolgen, der zunächst mit einer instationären Übergangsphase mit einem Maximum der Gasproduktion und -ausbeute (Phase 4) beginnt. Im weiteren Prozeßverlauf wird die stationäre Phase des Verfahrensschrittes mit Parallelschaltung (entspricht Phase 1) erreicht und der Zyklus kann erneut durchgeführt werden. Die Übergangsphasen dauern 4 bis 6 Wochen an. Für die stationä-er: Phsaan können beliebige Zeiträume gewählt werden. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Biogasproduktion und -ausbeute.

	Parallel	Reihen	Reihen	Parallel
	schaltung	schaltung	schaltung	schaltung
	stationäre	instatio	stationäre	instatio
	Phase	näre Über	Phase	näre Über
		gangsphase		gangsphase
	(PhaseD	(Phase 2)	(Phase 3)	(Phase 4)
Gesamtfrisch-
substratzufuhr
Menge mVd	740	740	740	740
oTS t/d	18,6	18,6	18,6	18,6
FS t/d	3,2	3,2	3,2	3,2
Frischsubstrat
zufuhr Reaktor 1
Menge m3/d	370	740	740	370
oTS t/d	9,3	18,6	18,6	9,3
FS t/d	1,6	3,2	3,2	1,6
Frischsubstrat
zufuhr Reaktor 2
Menge m3/d	370	0	0	370
oTS t/d	9,3	0	0	9,3
FS t/d	1.6	0	0	1,6
Dickstoff
Reaktor 1 in
Reaktor 2
Menge mVd	0	240	240	0
oTS t/d	0	9,6	9,6	0
FS t/d	0	0,4	0,4	0
Gesamtgas	8000	6600	8000	10200
pro
duktion m3/d	konstant		konstant

Claims (3)

1. Verfahren zur Erhöhung der Produktivität von Biogasanlagen mit mindestens zwei Reaktoren für Substrate mit einem TS-Gehalt unter 6%, gekennzeichnet dadurch, daß während der Fermentation eine unterschiedliche Mikroorganismendichte und Populationszusammensetzung je Reaktionsvolumeneinheit durch Mengenänderung des zugeführten Substrates je Reaktionsvolumeneinheit realisiert wird, indem die Reaktoren wechselweise parallel und in Reihe mit Substrat versorgt werden, wobei die Gesamtsubstratmenge konstant bleibt.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Verweilzeit über die gesamte Zeitdauer der Parallelschaltung in den Reaktoren 10 bis 30 Tage, über die gesamte Zeitdauer der Reihenschaltung im ersten Reaktor 5 bis 15 Tage sowie in den nachgeschalteten Reaktoren 20 bis 40 Tage beträgt, wobei während der Reihenschaltung lediglich das Sediment des vorgeschalteten Reaktors dem jeweils nachgeschalteten Reaktor zugeführt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel zwischen Parallel-und Reihenschaltung wahlweise entsprechend der gewünschten Gasproduktion und -ausbeute beim Erreichen maximaler bzw. erhöhter Gesamtgasproduktion nach der Umstellung von der Reihen-zur Parallelschaltung, beim Erreichen minimaler bzw. verringerter Gesamtgasproduktion nach der Umstellung von der Parallel- zur Reihenschaltung oder erst beim Erreichen konstanter Gesamtgasproduktion der jeweiligen Reaktorschaltung erfolgt, wobei die minimale Zeitdauer vom Beginn bis zum End« der Reihenschaltung gleich der Summe der durchschnittlichen Verweilzeiten aller Reaktoren, die minimale Zeitdauer der Parallelschaltung gleich der Verweilzeit eines Reaktors ist.