DD291743A5

DD291743A5 - METHOD FOR INCREASING THE PRODUCTIVITY OF BIOGAS PLANTS

Info

Publication number: DD291743A5
Application number: DD90337436A
Authority: DD
Inventors: Marion Czwing; Gerd-Rainer Vollmer; Johann Franz
Original assignee: Institut Fuer Biotechnologie,De; Veg (Z) Tierzicht,De
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-07-11

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}The invention relates to a method for increasing the productivity of biogas plants with at least two reactors for pigs or similar substrates with a TS content below 6%, especially where a year-round processing of the substrate required, but an annual utilization of the biogas produced is not possible , The aim of the invention is to provide a process for the production of biogas, which allows an increase of the gas production and the specific gas yield as well as desired fluctuations of the gas production even with a constantly accumulating amount of substrate. According to the invention, this object is achieved by the temporal change of the reaction regime between a process step with series connection of the reactors and a process step with parallel connection realizing the possibility to use the unsteady transition behavior of the microbial metabolic process to control and increase the gas production and yield. The invention can be applied to biogas plants of agriculture, water management and food industry {biogas; Gas yield; Gas production; Reaktionsfuehrung; Series; Parallel; Schweineguelle; Control; Transition behavior; recycling}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to a method for producing biogas from pig manure or similar organic materials, which are obtained in the field of agriculture, food industry and water management. The invention is classified in the IPK C02F11 / 04.

Characteristic of the known state of the art

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.The currently operated biogas plants are based on the principle of ideally mixed reactor in terms of reaction. The disadvantage of this principle is that a large part of the constantly increasing biomass is flushed out with the disposal of the reactors and thus limits the increase in the productivity of the reactors. Especially in anaerobic fermentation, this disadvantage is concise, since the microorganisms involved in the metabolism grow very slowly. In order to increase the efficiency of processes for the production of biogas from manure or similar substrates, in addition to the improvement of equipment technology essentially three ways of process design are taken.

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.First, an attempt is made to intensify the microwave metabolism process to improve the space-time yield. For this purpose, numerous solutions are known, such as the aerobic pretreatment of the substrate (DE 2805054), recycling of active biomass (JP 60-220199, DE 2728585), fixation of the biomass to support materials (DD 235247, JP 57-187096) and substrate-specific material guide (DE 3330696). These solutions have the disadvantage that with their implementation, the integration of upstream and downstream stages in the overall process or additional installations in the reactors and thus a higher cost is connected. A second way is the use of two-stage process for the separation of acidic and methane phase (DE 2821796, CH 495302, US 4022665). Alongside these two paths, efforts are being made to realize control of the process. These controls are designed to comply with limit values, to drive the process in steady state, and to effect gas production changes according to gas demand. The necessary control systems (eg pH regulation, JP 57-117393) are complicated in terms of their measurement and control technology and include only sub-controls. Of particular interest is the control of gas production, especially where continuous, year-round recovery of biogas is not possible. So far, to control or increase the gas production in addition to the microbial intensification processes, a change in the substrate supply in terms of quantity and concentration realized (JP 59-193200), but this is limited in continuously accumulating and processed substrate by storage capacity and slurry age.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to increase the flexibility and efficiency of a biogas plant by providing a suitable process j for producing biogas from Schv.'cir.egülle, starting from process steps with different reaction regime.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to provide a method for producing biogas in a plant with at least two reactors for substrates with a TS content below 6%, which increases the gas production and the specific gas yield and control of gas production at constant accumulating Substrate allows. According to the invention, this object is achieved in that during fermentation a different microorganism density and population composition per reaction volume unit is realized by changing the amount of substrate supplied per Reaktionsvolumoneinheit by the reactors are alternately supplied in parallel and in series with substrate, the total amount of substrate remains constant.

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.The Verfahronsschritt with parallel connection of the reactors is characterized in that the reactors are charged in equal parts with the resulting amount of substrate. There is a population of microorganisms in the reactors, each adapted to the same amount of fresh substrate. The process step with series connection of the reactors can be characterized in that the entire resulting amount of substrate is fed to a first reactor and sub-substrate with an increased TS content from the respectively upstream reactor to the downstream reactor. If a microorganism population which is adapted to the total amount of fresh substrate is present in the first reactor, a population exists in the downstream reactors which is adapted in terms of quality and quantity to the solids-rich pre-fermented substrate from the upstream reactors. If both process steps are implemented independently of one another, a stationary state corresponding to the constant substrate attack arises in terms of concentration and amount, ie. H. By reducing the amount of substrate continuously accumulating by means of a constantly adjusted microorganism population, a constant and equally large gas production results.

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.If both process steps are technologically combined by mutual application, the result is a process course which is characterized by stationary phases and transient transition phases. The stationary phases have a constant total production at constant total feed.

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:After each changeover from one to the other method step, the process is temporarily brought out of the stationary state. It begins a transient phase in which the microorgnism population adapts to the abrupt change in substrate guidance and quality due to propagation, death and selection. The adaptation of the microorganisms is not like the change in the substrate supply abruptly, but with time delay. This causes a time-delayed change in the total gas production and yield until a new stationary condition is reached, without the total amount of charge having to be changed. Thus, the gas production and yield undergoes a minimum after the changeover from the parallel connection to the series connection, after the changeover from the series connection to the parallel connection, a maximum. Taking into account different gas requirements, the change of reaction is organized in time so that the largest gas production occurs at times of greatest gas demand. If the changeover from the parallel connection to the series connection already takes place during the transient phase of the parallel connection, i. in achieving increased or maximum gas production of the parallel circuit, an increase in the average gas production and yield can be achieved. The invention thus offers the possibility of controlling and increasing the gas production and gas yield without changing the total feed. The choice of the temporal change between the two process steps is substrate-specific and depends on the integration of a biogas plant in the operational processes of the user. The microbial process of the overall process is characterized by:

- eine Temperatur von 25 bis 4O⁰C in den Reaktoren, vorzugsweise 30 bis 35°C- A temperature of 25 to 40 ⁰ C in the reactors, preferably 30 to 35 ° C.

- einen pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5- a pH between 7.0 and 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,a residence time in the process step with parallel connection of 10 to 30 days in all reactors, in the process step with series connection of 5 to 15 days in the first reactor and 20 to 40 days in the downstream reactors,

- 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.a minimum period of time from Bsginn to the end of the series connection, which is equal to the sum of the average residence times of all the reactors, a minimum length of time of the parallel connection, which is equal to the residence time of a reactor.

Die wesentlichsten Vorteile des Verfahrens gegenüber bisher angewandten Verfahren zur Biogaserzeugung sind:The most important advantages of the process over previously used biogas production processes are:

- Erhöhung der Biogasproduktion bzw. der Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Substanz und damit Erhöhung der Effizienz der Biogasanlage- Increase biogas production or biogas yield per tonne of organic matter used and thus increase the efficiency of the biogas plant

- Erhöhung der Flexibilität und der Effizienz der Biogasanlage hinsichtlich Gasproduktion/Gasbedarf- Increasing the flexibility and efficiency of the biogas plant in terms of gas production / demand

- Erhöhung der Mikroorganismendichte und Änderung der Populationszusammensetzung und damit höherer Substratumsatz durch eine einfache Reaktionsführung ohne zusätzliche Einbauten bzw. periphere Anlagenteile.Increasing the microorganism density and changing the population composition and thus higher substrate conversion by a simple reaction without additional installations or peripheral parts of the plant.

Ausführungsbeispielembodiment

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:The manure used in the process example comes from an industrial pig farm. The methods of animal husbandry require a composition of the manure which remains constant within certain limits and which has the following characteristic values after passing through an aerobic precursor:

TS34,1 g/l; oTS25,1 g/l; FS4,34mg/l; BSB511300g/l; Substratanfall 740mVd.TS34.1 g / l; OTS25.1 g / l; FS4,34mg / l; BSB511300g / l; Substrate attack 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 derThe biogas production runs in 2 χ 8000 m ³ reactors at a temperature of 32 ° C and a pH of 8.0. In the example shown (Table) is assumed by a process step with parallel connection in the steady state (phase 1) with a constant total gas production. It is the transition to a step with series connection, which causes a transient transition phase (Phase 2), in which the gas production and yield goes through a minimum. Is the

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.stationary state of the process step with series connection (phase 3) achieved, the changeover to the process step can be carried out with parallel connection, which begins first with a transient transition phase with a maximum of gas production and yield (phase 4). In the further course of the process, the stationary phase of the method step is achieved with parallel connection (corresponds to phase 1) and the cycle can be carried out again. The transition phases last 4 to 6 weeks. For the stationary: Phsaan arbitrary time periods can be chosen. This embodiment shows the possibility of controlling biogas production and yield.

ParallelParallel Reihenstring Reihenstring ParallelParallel schaltungcircuit schaltungcircuit schaltungcircuit schaltungcircuit stationärestationary instatioinstatio stationärestationary instatioinstatio Phasephase näre Überover Phasephase näre Überover gangsphasetransition period gangsphasetransition period (PhaseD(phased (Phase 2)(Phase 2) (Phase 3)(Phase 3) (Phase 4)(Phase 4) Gesamtfrisch-Gesamtfrisch- substratzufuhrsubstrate supply Menge mVdQuantity mVd 740740 740740 740740 740740 oTS t/doTS t / d 18,618.6 18,618.6 18,618.6 18,618.6 FS t/dFS t / d 3,23.2 3,23.2 3,23.2 3,23.2 Frischsubstratfresh substrate zufuhr Reaktor 1Feed reactor 1 Menge m³/dQuantity m ³ / d 370370 740740 740740 370370 oTS t/doTS t / d 9,39.3 18,618.6 18,618.6 9,39.3 FS t/dFS t / d 1,61.6 3,23.2 3,23.2 1,61.6 Frischsubstratfresh substrate zufuhr Reaktor 2Feed reactor 2 Menge m³/dQuantity m ³ / d 370370 00 00 370370 oTS t/doTS t / d 9,39.3 00 00 9,39.3 FS t/dFS t / d 1.61.6 00 00 1,61.6 Dickstoffthick matter Reaktor 1 inReactor 1 in Reaktor 2Reactor 2 Menge mVdQuantity mVd 00 240240 240240 00 oTS t/doTS t / d 00 9,69.6 9,69.6 00 FS t/dFS t / d 00 0,40.4 0,40.4 00 Gesamtgastotal gas 80008000 66006600 80008000 1020010200 proPer duktion m³/dproduction m ³ / d konstantconstant konstantconstant

Claims

1. A method for increasing the productivity of biogas plants with at least two reactors for substrates with a TS content below 6%, characterized in that during the fermentation a different microorganism density and population composition per reaction volume unit is realized by changing the amount of substrate supplied per reaction volume unit by the Reactors are alternately supplied in parallel and in series with substrate, the total amount of substrate remains constant.

2. The method according to item 1, characterized in that the average residence time over the entire period of parallel connection in the reactors 10 to 30 days, over the entire period of series connection in the first reactor 5 to 15 days and in the downstream reactors 20 to 40 days is, wherein during the series connection, only the sediment of the upstream reactor is fed to the respective downstream reactor.

3. The method according to item 1, characterized in that the change between parallel and series connection optionally according to the desired gas production and yield when achieving maximum or increased total gas production after the changeover from the series to the parallel circuit, while achieving minimal or reduced total gas production after the changeover from parallel to series connection or only when constant total gas production of the respective reactor circuit is achieved, the minimum time duration from the beginning to the end of the series connection equal to the sum of the average residence times of all reactors, the minimum time duration of the parallel connection equal to the residence time of a Reactor is.