DE102004053615B3 - Abbauverfahren von biogenem Material - Google Patents

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Abstract

Abbauverfahren von biogenem Material, wobei man einen Perkolator mit biogenem Material beschickt, eine Perkolationsflüssigkeit durch Sieben abtrennt und wieder auf das biogene Material sprüht, überschüssige Perkolationsflüssigkeit in einen Puffer pumpt, von dort in einen Biogasreaktor verbringt und zu Biogas vergärt, wobei man die gereinigte Perkolationsflüssigkeit als Abwasser in einen Speicherpuffer überführt und von dort wieder in den Perkolator überführbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abbauverfahren von biogenem Material und eine dazugehörige Biogasanlage sowie deren Verwendung.
  • Die Vergärung von biologischen Stoffen ist ein seit langem bekannter Prozess. Aufgrund von verschiedensten Entwicklungen wurden ein-, zwei- oder mehrstufige Verfahren entwickelt. Neben der aus der Güllevergärung entwickelten Nassvergärung wird ebenfalls die Trockenvergärung praktiziert.
  • Das Prinzip der zweistufigen Trocken-Nass-Vergärung wurde erstmals von Gosh 1978 beschrieben. Dabei wurden Abfälle in einen anaeroben Reaktor perkoliert. Das Perkolationswasser wird anschließend in einem Methanreaktor zu Biogas vergoren. Das Verfahren wurde von Rijkens und Hofank ( US 4,400,195 ) in den 80er Jahren für organische Abfälle weiterentwickelt und patentiert.
  • Dieses Verfahren wurde zweimal in die Praxis umgesetzt, im ANM-Verfahren in Ganderkesee und im Prethane-Rudad-Verfahren in Breda.
  • Wellinger und Suter führten ebenfalls in den 80er Jahren Versuche mit Festmist durch und Widmer mit Markt- und Schlachtabfällen. Dabei wurde der Perkolator auch im aeroben Milieu betrieben.
  • Die neueste Anlage, welche nach diesem Verfahren (für Restabfälle) entwickelt wurde, sind das ISKA®-Perkolationsverfahren in Sansenheck und das BIOPERCULAT®-Verfahren ( DE 198 46 336 A1 ). Dabei wird der Abfall nach einer mechanischen Vorbehandlung (zum Beispiel Siebung, Metallabscheidung) in einem Perkolator hydrolysiert. Der Perkolator ist dabei mit einem Rührwerk ausgestattet, so dass die Abfälle kontinuierlich durch den Reaktor transportiert werden. Nach einer Verweilzeit von 2 bis 3 Tagen wird das Perkolat entwässert und für die weitere Behandlung beziehungsweise Ablagerung bereitgestellt. Das Perkolationswasser wird nach einer Sand- und Faserabscheidung in einem Methanreaktor anaerob zu Biogas vergoren. Das so gereinigte Wasser wird direkt bzw. nach einer Reinigung (zur Entstickung), als Perkolationswasser genutzt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde beim Abbau von biogenem Material eine bedarfsgerechte Steuerung der Biogaserzeugung zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird durch ein Abbauverfahren gelöst, dessen Merkmale im Hauptanspruch wiedergegeben sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Abbauverfahren von biogenem Material unter bedarfsgerechter Steuerung des Biogasanfalls gelöst, wobei man einen aerob betriebenen Perkolator mit biogenem Material beschickt,
    eine Perkolationsflüssigkeit durch ein Sieb abtrennt und wieder auf das biogene Material sprüht,
    überschüssige Perkolationsflüssigkeit in einen separaten Pufferbehälter verbringt, von dort in einen Biogasreaktor pumpt und zu Biogas vergärt, wobei man die gereinigte Perkolationsflüssigkeit als Abwasser in einen separaten Speicherpufferbehälter überführt und von dort wieder in den Perkolator überführen kann.
  • Dieses Abbauverfahren hat den Vorteil, dass es auf einer einfachen Technik zum Abbau von biogenem Material basiert. Hierbei wird eine bedarfsgerechte Steuerung des Biogasanfalls ermöglicht und dadurch kann der Biogasbedarf, zum Beispiel für die Verstromung oder Wärmeerzeugung, in Spitzenzeiten bzw. Schwachlastzeiten entsprechend geregelt werden. Während bei bekannten Anlagen die Steuerung der Biogasproduktion nicht oder nur in engeren Perioden zur Verbrauchsanpassung erfolgt, kann mit dem erfindungsgemäßen Abbauverfahren eine rasche Anpassung an den aktuellen Bedarf erfolgen.
  • Als biogenes Material werden alle von Lebewesen stammenden Substanzen angesehen, insbesondere können dies Bioabfälle, Grünschnitt, Gewerbeabfälle, Lebensmittelabfälle, Siedlungsabfälle, landwirtschaftliche Abfälle, Küchenabfälle, nachwachsende Rohstoffe und ähnliche Stoffe sein.
  • Bevorzugt speichert man die Perkolationsflüssigkeit im Pufferbehälter. Die bedarfsgerechte Steuerung des Biogasanfalls wird über entsprechend dimensionierte Pufferbehälter (max. 24 h Puffer) für die Perkolationsflüssigkeit möglich, da wegen der gefundenen verfahrenstechnischen Betriebsweise der Methanreaktoren die Ansprechzeit für die Biogasproduktion im Stundenbereich liegt. Die Funktion des Gasspeichers kann daher durch die Speicherung der Perkolationsflüssigkeit ersetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beaufschlagt man diskontinuierlich einen Druckluftstoß durch die perforierten Wände eines Siebbodens. Auf diese Weise lassen sich Verstopfungen des Siebbodens lösen bzw. lockern und es kann wieder ein freier Ablauf der Perkolationsflüssigkeit durch den Siebboden gewährleistet werden.
  • Im Perkolator herrscht bevorzugt Normaldruck. Ein Luftzutritt ist unschädlich. Ein Lufteintritt kann in den Perkolator kontinuierlich oder diskontinuierlich unabhängig vom Druckluftstoß erfolgen. Ferner ist es möglich, den Perkolator zu beheizen. Die Temperatur im Perkolator sollte dann ca. 30 °C betragen.
  • Die gesamte Flüssigkeit wird in dem System durch einen Kreislauf gepumpt. Die als Abwasser den Bioreaktor verlassende Perkolationsflüssigkeit führt man vorzugsweise diskontinuierlich ab und füllt mit frischer Flüssigkeit auf. Dadurch wird eine Anreicherung von Fremdstoffen im Kreislauf vermieden.
  • In dem Pufferbehälter und/oder in dem Speicherpufferbehälter scheidet man bevorzugt Sink- und/oder Schwimmstoffe ab. Dieser Vorgang kann durch die Verwendung der verschiedensten Abscheider bzw. Hochleistungsabscheider, wie zum Beispiel Zentrifugen, durchgeführt werden.
  • Das Vergären zu Biogas führt man bevorzugt mittels Bakterien durch. Dabei führt man die Vergärung unter Beteiligung einer Bakterienmatrix aus mehreren Bakterienstämmen durch. Der Biogasreaktor ist beheizbar, insbesondere außenbeheizbar. Damit kann im Biogasreaktor immer eine konstante Temperatur gehalten werden. Diese liegt entweder bei ca. 37 °C oder bei 55 °C.
  • Ferner wird die Erfindung durch eine Biogasanlage, bestehend aus mindestens einem aerob betriebenen Perkolator mit Siebboden und Pumpe zur Rückführung der Perkolationsflüssigkeit zum Perkolator, einem separaten Pufferbehälter, welcher der Speicherung der Perkolationsflüssigkeit dient, mindestens einem Biogasreaktor und mindestens einem separaten Speicherpufferbehälter, welcher der Speicherung des Abwassers dient, gelöst.
  • Bevorzugt besteht die Biogasanlage aus mindestens zwei parallel geschalteten Perkolatoren. Dabei wird die Perkolationsflüssigkeit durch eine separate Pumpe pro Perkolator je nach Einsatzstoff kontinuierlich oder diskontinuierlich über das biogene Material versprüht. Es entsteht somit ein für jeden Perkolator separat betrebbarer Flüssigkeitskreislauf. Eine Verbindung zwischen den einzelnen Perkolatoren ist möglich, um die biogenen Stoffe durch bestimmte Bakterienarten anzuimpfen.
  • Die Verwendung von mindestens zwei Perkolatoren hat weiterhin den Vorteil, dass eine Be- und Entladung von Feststoffen jederzeit möglich ist. Außerdem ist durch den modularen Aufbau eine Anpassung an den jeweiligen Stoffanfall bzw. die Energieabnahme möglich bzw. die substratspezifische Verweilzeit im Perkolator ist einzeln steuerbar. Wegen der aeroben Betriebsweise der Perkolatoren ist die Bildung einer explosionsgefährdeten Atmosphäre im Perkolator nicht möglich.
  • Beim Abbau des biogenen Materials entstehen Säuren, daher sind die Perkolatoren bevorzugt säurefest. Die Perkolationsflüssigkeit löst jedoch die entstehenden Säuren und andere Stoffe auf und die Perkolationsflüssigkeit reichert sich mit leicht vergärbaren Stoffen an.
  • Es ist ebenfalls denkbar, dass ein extrem saurer Flüssigkeitsstrom zusammen mit der Perkolatorflüssigkeit im Biogasreaktor behandelt wird. Beispielsweise fällt in der Konservenindustrie einerseits ein hoher Abwasserstrom mit organischen Belastungen an, der meist stark sauer ist, andererseits gibt es aber auch feste Abfälle. Mit dem bedarfsgerechten Einsatz von festen Abfällen könnte der jahreszeitlich schwankende Anfall von saurem Abwasser ausgeglichen werden, so dass in Zeiten geringen Abwasser anfalls immer noch eine gute Biogasproduktion vorhanden ist.
  • Die Perkolatoren weisen einen Siebboden auf. Dieser dient dazu, um eine fest-flüssig Trennung vorzunehmen. Die abgetrennte Perkolationsflüssigkeit sammelt sich am Boden bzw. unter dem Siebboden und wird durch Pumpen kontinuierlich oder diskontinuierlich im Kreislauf über dem biogenen Material versprüht. Überschüssige Perkolationsflüssigkeit wird bei entsprechendem Füllstand in den Pufferbehälter gepumpt und von dort in den Biogasreaktor.
  • Die Temperatur im Perkolator sollte ungefähr 30 °C betragen, deshalb sind die Perkolatoren vorzugsweise beheizbar.
  • Der Biogasreaktor ist vorzugsweise gasdicht und funktioniert nach einem aus der Abwassertechnik üblichen Reaktorprinzip (UASB-[Upflow anaerobic sludge blanket], Schlammbett, -Festbettreaktor).
  • Ein Festbettbiogasreaktor kann als Pfropfenstromreaktor (Filter) betrieben werden, so dass sowohl die Verweilzeit im Perkolator als auch die Verweilzeit im Biogasreaktor definiert werden kann.
  • Biogas besteht aus Methan (CH4) [50–85 Vol-%], Kohlendioxid (CO2) [15–50 Vol-%] sowie Sauerstoff, Stickstoff und Spurengasen (u.a. Schwefelwasserstoff). Mit dem erfindungsgemäßen Abbauverfahren erzeugt man ein Biogas mit einem hohen Methananteil von zwischen 65 und 80 Vol-%. Es kann u.a. direkt für Heizzwecke oder mittels eines Blockheizkraftwerks zur gekoppelten Produktion von Strom und Wärme genutzt werden. Die Erzeugung des Gases erfolgt durch anaerobe Vergärung organischer Stoffe.
  • Zur Erhöhung des Biogasertrags kommen häufig Co-Fermentate zum Einsatz (zum Beispiel nachwachsende Rohstoffe oder Abfälle aus der Lebensmittelindustrie). Das vergorene organische Material kann anschließend als hochwertiger Dünger landbaulich verwertet werden.
  • Nach dem Vergärungsprozess verlässt das gereinigte Perkolationswasser als Abwasser den Methanreaktor und wird im Speicherpufferbehälter zwischengespeichert und kann von dort in die Perkolatoren zurückgeführt werden.
  • Damit im Biogasreaktor immer eine konstante Temperatur gehalten werden kann, ist der Biogasreaktor vorzugsweise beheizbar. Die Temperatur liegt dabei entweder bei ungefähr 37 °C oder bei ungefähr 55 °C.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Speicherpufferbehälter belüftbar. Dies hat den Vorteil, dass Bakterien aus dem Biogasreaktor abgetötet werden, so dass eine Animpfung der Hydrolyse mit Methanbakterien und dadurch eine Produktion von Biogas in den Perkolatoren ausgeschlossen wird.
  • Damit eine Akkumulierung verschiedenster Stoffe im Abwasser vermieden werden kann, wird ein Teil des Kreislaufwassers abgeführt und mit Frischwasser aufgefüllt.
  • Weiterhin wird die Erfindung durch die Verwendung der Biogasanlage zur Herstellung von Biogas und der Speicherung von Perkolationsflüssigkeit gelöst.
  • Durch Mischung mit Luft kann Biogas leicht zu explosiven Gemischen führen, daher unterliegt die Herstellung und Speicherung besonderen Sicherheitsvorschriften.
  • Eine solche Explosionsgefahr kann durch das erfindungsgemäße Verfahren stark vermindert werden, da die Perkolatoren auf einer aeroben Betriebsweise beruhen. Des Weiteren ist eine Speicherung von Biogas nicht notwendig, da man lediglich die Perkolationsflüssigkeit speichert.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher beschrieben. Im Einzelnen zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Biogasanlage.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Biogasanlage 1 zur bedarfsgerechten Herstellung von Biogas.
  • Die Perkolatoren 2 sind im Garagenverfahren aufgebaut, d.h. sie bestehen als eine Art Container bzw. sonstiger Raum mit säurefester Auskleidung. Sie sind derart gestaltet, dass sie mit üblicher Technik (zum Beispiel mit Radladern) beschickt und entleert werden können. Der Boden und/oder die Wände sind außerdem mit Siebböden 3 ausgestattet, so dass an diesen Stellen eine fest-flüssig Trennung stattfinden kann. Zur Vermeidung von Verstopfungen oder um das Material aufzulockern kann diskontinuierlich ein Druckluftstoß durch diese perforierten Wände aufgegeben werden. Ansonsten arbeiten die Perkolatoren 2 bei Umgebungsdruck und ein Luftzutritt ist unschädlich und kann auch unabhängig vom Druckluftstoß kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Die Perkolationsflüssigkeit sammelt sich am Boden bzw. unter den Siebböden 3 und wird über je eine Pumpe 4 pro Perkolator 2 kontinuierlich oder diskontinuierlich im Kreislauf über dem biogenen Material versprüht. Die Perkolationsflüssigkeit löst die entstehenden Säuren und andere Stoffe auf dem Festbett. Somit reichert sich die Perkolationsflüssigkeit mit leicht vergärbaren Stoffen an.
  • Überschüssige Perkolationsflüssigkeit wird bei entsprechendem Füllstand in den Pufferbehälter 5 gepumpt. Von dort wird die Perkolationsflüssigkeit gasdicht in den Biogasreaktor 6 gepumpt. Dieser funktioniert nach einem aus der Abwassertechnik üblichen Reaktionsprinzip (UASB-, Schlammbett, -festbettreaktor). In den Biogasreaktoren 6 wird die Perkolationsflüssigkeit schnell zu Biogas vergoren. Die so gereinigte Perkolationsflüssigkeit verlässt als Abwasser die Biogasreaktoren 6 und wird im Speicherpufferbehälter 7 zwischengespeichert, bevor es je nach Bedarf in die Perkolatoren 2 zurückgeführt wird und dort den Flüssigkeitsspiegel ansteigen lässt. Damit wird die Flüssigkeit immer im Kreislauf geführt. Damit eine Akkumulation verschiedener Stoffe in der Flüssigkeit vermieden wird, wird ein Teil der Kreislaufflüssigkeit diskontinuierlich abgeführt und mit frischer Flüssigkeit (Wasser) aufgefüllt.
  • Der Pufferbehälter 5 und der Speicherpufferbehälter 7 dienen neben der Speicherwirkung ebenfalls als Abscheider für Sink- oder Schwimmstoffe, die diskontinuierlich entnommen werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, durch Einsatz von Hochleistungsabscheidern (zum Beispiel Zentrifugen) weitere unerwünschte Stoffe aus den einzelnen Pufferbehältern 5 und/oder Speicherpufferbehältern 7 abzuscheiden.
  • Die Speicherpufferbehälter 7 können bei Bedarf ebenfalls belüftet werden, um den weiteren biologischen Abbau bzw. die Abscheidung von unerwünschten Stoffen, wie zum Beispiel Ammonium, im Speicherpufferbehälter 7 zu begünstigen. Durch die Belüftung der Speicherpufferbehälter 7 werden außerdem die aus dem Bioreaktor ausgetragenen Bak terien weitestgehend abgetötet, so dass eine Animpfung der Hydrolyse mit Methanbakterien und somit eine Produktion von Biogas in den Perkolatoren 2 ausgeschlossen ist.
    •
    • 1
    Biogasanlage
    2
    Perkolator
    3
    Siebboden
    4
    Pumpe
    5
    Pufferbehälter
    6
    Bioreaktor
    7
    Speicherpufferbehälter

Claims (14)

  1. Abbauverfahren von biogenem Material unter bedarfsgerechter Steuerung des Biogasanfalls, wobei man einen aerob betriebenen Perkolator (2) mit biogenem Material beschickt, eine Perkolationsflüssigkeit durch ein Sieb abtrennt und wieder auf das biogene Material sprüht, überschüssige Perkolationsflüssigkeit in einen separaten Pufferbehälter (5) verbringt, von dort in einen Biogasreaktor (6) pumpt und zu Biogas vergärt, wobei man die gereinigte Perkolationsflüssigkeit als Abwasser in einen separaten Speicherpufferbehälter (7) überführt und von dort wieder in den Perkolator (2) überführen kann.
  2. Abbauverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Perkolationsflüssigkeit im Pufferbehälter (5) speichert.
  3. Abbauverfahren nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man diskontinuierlich einen Druckluftstoß durch die perforierten Wände eines Siebbodens (3) beaufschlagt.
  4. Abbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Perkolator (2) Normaldruck herrscht.
  5. Abbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil des Abwassers diskontinuierlich abführt und mit frischer Flüssigkeit auffüllt.
  6. Abbauverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man in dem Pufferbehälter (5) und/oder in dem Speicherpufferbehälter (7) Sink- und/oder Schwimmstoffe abscheidet.
  7. Biogasanlage (1) für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus mindestens einem aerob betriebenen Perkolator (2) mit Siebboden (3) und Pumpe (4) zur Rückführung der Perkolationsflüssigkeit zum Perkolator (2), einem separaten Pufferbehälter (5), welcher der Speicherung der Perkolationsflüssigkeit dient, mindestens einem Biogasreaktor (6) und mindestens einem separaten Speicherpufferbehälter (7), welcher der Speicherung des Abwassers dient.
  8. Biogasanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens zwei parallel geschaltete Perkolatoren (2) besteht.
  9. Biogasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Perkolatoren (2) säurefest sind.
  10. Biogasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Perkolatoren (2) beheizbar sind.
  11. Biogasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Biogasreaktor (6) gasdicht ist.
  12. Biogasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Biogasreaktor (6) beheizbar ist.
  13. Biogasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherpufferbehälter (7) belüftbar ist.
  14. Verwendung der Biogasanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 13 zur Herstellung von Biogas und Speicherung von Perkolationsflüssigkeit.
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