DE102005024886B3

DE102005024886B3 - Verfahren zum Regeln eines Gehaltes an mikrobieller Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren einer Biogasanlage und Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas

Info

Publication number: DE102005024886B3
Application number: DE102005024886A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Tölle; Jan Mumme; Bernd Dr. Linke
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin; Institut fur Agrartechnik Bornim eV
Current assignee: Bluemethano De GmbH
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Gehaltes an mikrobieller Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren (10) einer Biogasanlage und Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas mit einem oder mehreren Reaktoren (10). Es ist vorgesehen, die mikrobielle Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10) mit magnetischen Partikeln zu versetzen, wobei aus einem Ablauf (5), welcher mit dem einen oder allen Reaktoren (10) in Verbindung steht, eine ablaufende mikrobielle Biomasse mit Hilfe einer Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung zumindest teilweise abgeschieden wird und wenigstens ein Teil einer abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse über eine Rückführeinrichtung in den einen oder allen Reaktore (10) zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung eingebracht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln eines Gehaltes an mikrobieller Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren einer Biogasanlage und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas.

Biogasanlagen werden genutzt, um unter Verwendung einer mikrobiellen Biomasse Biogas zu erzeugen. Als Eingangsstoffe werden unterschiedliche organische Materialien verwendet. Hierzu gehören Substrate aus Landwirtschaft, Gartenbau und Forstwirtschaft wie tierische Exkremente, pflanzliche Reststoffe und eigens angebaute Energiepflanzen, Abfallstoffe aus der nahrungsmittelverarbeitenden Industrie sowie kommunale und industrielle Abwässer. Der Fermenter wird in der Regel 1 bis 48 mal täglich mit neuer Biomasse beschickt. Der Fermenter weist einen gasdichten Stahl- oder Betonbehälter auf. Dieser ist mit einer Isolierung versehen, da im Inneren für die Mikroorganismen eine konstante Temperatur aufrechterhalten werden muß. Entweder ist der Fermenter auf mesophile Temperaturen (etwa 35 °C) oder thermophile Temperaturen (etwa 55 °C) ausgelegt. Innerhalb des Fermenters befindet sich in der Regel ein Rührwerk, welches für eine Durchmischung des Inhalts sorgt. Hierbei ist darauf zu achten, daß sich weder eine Schwimmschicht auf der Substratoberfläche bildet, noch Sedimentation am Behälterboden entsteht. Bei bestimmten Eingangssubstraten, die weniger anfällig für eine räumliche Entmischung sind, können auch undurchmischte Reaktoren eingesetzt werden. Neben einer Kohlenstoffquelle müssen die Mikroorganismen auch mit allen weiteren notwendigen Nährstoffen versorgt werden. Die Aufenthaltszeit der zu vergärenden Biomasse im Fermenter liegt – abhängig von der Art des Substrates – zwischen 20 und 40 Tagen. Während dieser Zeit werden die organischen Substanzen der Eingangsstoffe von den Mikroorganismen umgewandelt. Hierbei gibt es zwei verschiedene Endprodukte: Biogas und ausgegorenes Substrat.

Insbesondere bei Anlagen zur Erzeugung von Biogas, die mit wasserreichen Substraten von geringem Brennwert beschickt werden, besteht das Problem eines zu hohen Austrags mikro bieller Biomasse mit dem ausgegorenen Substrat. Dies ist vor allem bei einstufiger Verfahrensgestaltung mit nur einem Reaktionsraum und typisch dünnen Substraten, wie zum Beispiel Brennerei-Schlempe, der Fall. Voraussetzung für eine Optimierung der Biogaserzeugung ist deshalb eine Entkopplung der Verweilzeit der mikrobiellen Biomasse von der hydraulischen Verweilzeit des übrigen Reaktorinhalts. Störend wirkt außerdem die im Reaktor ablaufende Trennung der festen und flüssigen Phase sowohl durch Sedimentation als auch durch die Bildung von Schaum- und Schwimmschichten. Diese lassen sich nur durch energieaufwändiges Rühren verhindern. Ziel einer optimalen Verfahrensgestaltung ist deshalb die gezielte Beeinflussung der Konzentration der mikrobiellen Biomasse im anaeroben Reaktor.

Bei bekannten Biogasanlagen wird zur Vermeidung dieses Problems die Schwerkraftsedimentation mikrobieller Biomasse eingesetzt, unterstützt durch bauliche Maßnahmen, wie weit entfernte Zu- und Abläufe, einen gesteuerten Rührwerkseinsatz oder einen sequentiellen Reaktorbetrieb. Filter und Siebe können kaum eingesetzt werden, da die zu behandelnden Gärflüssigkeiten neben mikrobieller Biomasse und gelösten Nährsalzen natürlicher Weise auch einen erheblichen Gehalt an Inertstoffen sowie nicht abgebauter pflanzlicher Biomasse aufweisen, was somit zu einer raschen Verstopfung führen würde. Aber auch die Sedimentationsrückhaltung wird durch diese nicht mikrobiellen Feststoffe im erheblichen Maße gestört. Als wesentliche Störfaktoren sind hierbei gleiche oder ähnliche Sedimentationsgeschwindigkeiten anzuführen sowie die Eigendurchmischung des Fermenterinhaltes aufgrund der aufsteigenden Biogasblasen.

In der Anwendung besitzen Sedimantationsverfahren daher nur eine sehr geringe Funktions- und Leistungsfähigkeit, oder sie sind nur für eine sehr eingeschränkte Palette von zu vergärenden Eingangsstoffen zu verwenden. Ein speziell auf dem Prinzip der Sedimentation beruhendes Rückhalteverfahren wurde in Form des UASB-Verfahrens (UASB – „Upflow Anaerobic Slugde Blanket") für organisch stark belastete Abwässer aus der Nahrungsmittelindustrie entwickelt. Neben der Begrenzung auf sehr feststoffarme Flüssigkeiten wirken sich bei diesem Verfahren zudem die hohen Anlagenkosten, die sich hauptsächlich auf die aufwendige Gestaltung der Trennung von festen, flüssigen und gasförmigen Prozessprodukten beziehen, limitierend auf den Verbreitungsgrad.

Des weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, magnetische Partikel zu benutzen, um das Verhalten von biologischen Systemen zu beeinflussen. Die magnetischen Partikel werden genutzt zum

– Einbringen von ferromagnetischen Pulvern oder Eisenoxiden in Bakterienflocken, um mit Hilfe von Magnetfeldern eine beschleunigte Sedimentation von Belebtschlämmen in Abwasserreinigungsanlagen zu erreichen (vgl. Sakai et al.: „Magnetic Forced Sedimentation of Flocs in Activated Sludge Supplemented with Ferromagnetic Powder of Iron Oxide" Journal of Fermentation and Bioengineering, Vol. 71, No. 3, S. 208-210, 1991; Sakai et al.: „Sewage Treatment under Conditions of Balancing Microbial Growth and Cell Decay with a High Concentration of Activated Sludge Supplemented with Ferromagnetic Powder", Journal of Fermentation and Bioengineering, Vol. 74, No. 6, S. 413-415, 1992; Sakai et al.: „A Sewage Treatment Process Using Higly Condensed Activated Sludge with an Apparatus for Magnetic Separation", Journal of Fermentation and Bioengineering, Vol. 78, No. 1, S. 120-122, 1994; Hattori et al.: „Effects of an external magnetic field on the sedimentation of activated sludge", World Journal of Microbiology & Biotechnology 17, S. 279-285, 2001),
– Einbringen hartmagnetischer Pulver, um eine beschleunigte Bildung von Bakterien-Agglomeraten während der Anlaufphase eines UASB-Reaktors zu erreichen (siehe CA 2,238,581 , JP 11 028 497 ),
– Immobilisieren von Biomaterialien mit ferromagnetischen Supporten (siehe DE 197 15 153 , DE 197 45 990 , Burns et al.: „The Magnetically Stabilized Fluidized Bed as a Biochemical Processing Tool", Annals New York Acadamy of Sciences, S. 103-107, 1987),
– Isolieren von an magnetischen Partikeln gebundenem biologischen Material ( DE 101 44 291 , DE 37 20 844 , DE 39 25 093 , WO 99/626222, WO 93/20927) oder
– Anreichern von Magnetit-Partikeln aus Braunkohleflugaschen ( DD 298740 )

Aus dem Dokument DE 37 09 690 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines anaerob arbeitenden Bioreaktors bekannt. Ein solcher Bioreaktor dient dem anaerob erfolgenden Abbau von organischen Stoffen. In dem Dokument US 4,374,199 ist ein Verfahren zur Biogaserzeugung beschrieben, bei dem ein Magnetfeld genutzt wird, um Bakterien in eine reaktive Zone zu bringen. Weiterhin beschreibt das Dokument US 4,252,901 ein System und ein Verfahren zum Erzeugen von Methangas aus organischen Materialien.

Die Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Regeln eines Gehaltes an mikrobieller Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren einer Biogasanlage und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas zu schaffen, bei denen die Biogaserzeugung zur Verbesserung der Ausbeute und des Wirkungsgrades in optimierter Weise geregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Regeln eines Gehaltes an mikrobieller Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren einer Biogasanlage geschaffen, bei dem die mikrobielle Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren mit magnetischen Partikeln versetzt ist, wobei aus einem Ablauf, welcher mit dem einen oder allen Reaktoren in Verbindung steht, eine ablaufende mikrobielle Biomasse mit Hilfe einer Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung zumindest teilweise abgeschieden wird, und wenigstens ein Teil einer abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse über eine Rückführeinrichtung in dem einen oder allen Reaktoren zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung eingebracht wird.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas mit einem oder mehreren Reaktoren geschaffen, in dem/denen eine mikrobielle Biomasse mit magnetischen Partikeln versetzt ist, wobei in einem Ablauf, welcher mit dem einen oder allen Reaktoren in Verbindung steht, eine Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung angeordnet ist, um ablaufende mikrobielle Biomasse, die mit den magnetischen Partikeln versetzt ist, zumindest teilweise abzuscheiden, und wobei der Ablauf über eine Rückführeinrichtung mit dem einen oder allen Reaktoren verbunden ist, so daß über die Rückführeinrichtung wenigstens ein Teil einer abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung eingebracht werden kann.

Nach dem Versetzen der mikrobiellen Biomasse mit magnetischen Partikeln, was vor und/oder nach dem Einbringen der Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren ausgeführt werden kann, werden im Ablauf des einen oder der mehreren Reaktoren, also außerhalb des Reaktors, mikrobielle Agglomerate mittels eines Magnetfeldes von den übrigen festen, flüssigen und/oder gasförmigen Bestandteilen der Gärflüssigkeit abgeschieden. Zumindest Teile der abgeschiedenen mikrobiellen Biomasse werden in den einen oder allen Reaktoren zurückgeführt. Auf diese Weise kann auch überschüssige Biomasse für den Einsatz in dem gleichen oder anderen Reaktoren gewonnen werden. Gegenüber den bisher bekannten Verfahren, nämlich dem Einsatz von Filtern oder der Schwerkraftsedimentation, ergeben sich die im folgenden genannten Vorteile. Es wird eine hohe Toleranz gegenüber Inertstoffen sowie der nicht abgebauten festen Biomasse erreicht. Mittels Verlagerung der Abscheidung außerhalb des Reaktors kann im Reaktor auf Systeme zum Ansiedeln oder Zurückhalten der Biomasse verzichtet werden. Das spart teueren Reaktorraum.

Die Nutzung der Erfindung ist prinzipiell unabhängig von der Funktion und der Leistung der Biogasanlage und der An des Eingangsmaterials. So ist eine Nutzung in Reaktoren mit einem oder mehreren Reaktorräumen oder auch in mehreren Reaktoren möglich. Es ist eine aufwandsarme Nachrüstung in bestehenden Anlagen möglich. Insbesondere das besonders leistungsfähige UASB-Verfahren kann mit einer kostengünstigeren Anlagentechnik sowie für eine weitaus größere Palette von Eingangsstoffen realisiert werden.

Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit der gezielten Steuerung und Überwachung der Konzentration an mikrobieller Biomasse im Reaktor mittels Online-Bestimmung magnetischer Meßgrößen. Es ist die regel- und automatisierbare Anpassung der Abscheidung an sich verändernde Substrateigenschaften oder Rückhaltungsanforderungen möglich. Das Verfahren ist wartungsarm, robust und kostengünstig.

Ausführungsbeispiele für die Erfindung
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Biogasanlage mit einem vollständig durchmischten Reaktor;
2 eine schematische Darstellung einer Biogasanlage mit einem nicht durchmischten Reaktor;
3 eine Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung an einem geraden Rohrabschnitt;
4A eine Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung an einem ausgebuchteten Rohrabschnitt;
4B eine Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung mit einer Welle, auf der Permanentmagnete angeordnet sind;
5 eine Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung mit verlagerbaren Magneten in einer Aktivstellung;
6 die Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung nach 5 mit den verlagerbaren Magneten in einer Passivstellung;
7 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines wandernden Magnetfeldes mit Permanentmagneten;
8 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines wandernden Magnetfeldes mit Elektromagneten
9 eine schematische Darstellung eines Reaktors einer Biogasanlage, in welchem Meßsonden angeordnet sind;
10 einen Abschnitt eines Ablaufes eins Reaktors einer Biogasanlage, in welchem eine Meßkammer zur Messung einer magnetischen Suszeptibilität angeordnet ist;
11 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Abscheiden aufmagnetisierter Bakterienflocken mittels eines magnetischen Fangstabes im Abscheiderohr;
12 eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts der Anordnung in 11;
13 eine grafische Darstellung von Meßergebnissen für den Abscheidungsgrad in Abhängigkeit von einer Ferritkonzentration;
14 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Abscheiden aufmagnetisierter Bakterienflocken mittels seitlich am Abscheiderohr angeordneter Dauermagnete;
15 ein grafische Darstellung von Meßergebnissen für die magnetische Suszeptibilität von Bakteriengranulaten in Abhängigkeit vom Trockensubstanzverhältnis von Ferrit zu Granulat;
16 ein grafische Darstellung von Meßergebnissen für die Biogasrate in Abhängigkeit von der Zeit für Reaktoren SR1 und SR2 bei einer Steigerung der organischen Trockensubstanz-Raumbelastung;
17 ein grafische Darstellung von Meßergebnissen für die Entwicklung des pH-Wertes und der Propionsäure-Konzentration in Abhängigkeit von der Zeit für Reaktoren SR1 und SR2; und
18 ein grafische Darstellung von Meßergebnissen für die Entwicklung der magnetischen Suszeptibilität in Abhängigkeit von der Zeit in Ablaufflüssigkeiten für Reaktoren SR1 und SR2.
Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen werden nach dem Inkoporieren von magnetischen Partikeln bakterielle Agglomerate einer mikrobiellen Biomasse in einer Biogasanlage mit Hilfe magnetischer Felder bewegt, abgeschieden und zurückgehalten. Das Vorhandensein von mikrobiellen Agglomeraten ist für das Funktionieren des Biogasbildungsprozesses notwendig, da erst in dieser Form syntrophe Beziehungen ermöglicht werden, ohne die verschiedene Prozeß-Intermediate nicht zum Endprodukt Biogas umgesetzt werden können. Umsatzleistung und Wiederstandsfähigkeit der Agglomerate steigen mit deren Größe, Kompaktheit und Adaptionsgrad.
Zu den in Biogasanlagen vorkommenden Formen mikrobieller Agglomerate gehören insbesondere Bakterienflocken und Bakteriengranulate. Bakterienflocken sind die vorherrschende Aggregatform in Rührkessel-Biogasanlagen. Diese bestehen neben Bakterien auch aus mineralischen und organischen Schlammpartikeln. Bakterielle Granulate werden in speziellen Biogasanlagen mit sedimentativer Biomasserückhaltung nach dem UASB-Prinzip (UASB – „Upflow-Anaerobic-Sludge-Blanket") eingesetzt. Diese bestehen überwiegend aus bakterieller organischer Substanz und einer mineralischer Gerüstsubstanz. Bakterienflocken gelten als die Vorstufe der kompakteren und damit noch leistungsfähigeren Bakteriengranulate.
Als entscheidend für die Bildung leistungsfähiger Bakterien-Agglomerate gilt deren Verweildauer im Biogasreaktor. Von einer Rückhaltung mikrobieller Biomasse in Rührkesselreaktoren wird neben einer quantitativen Anreicherung auch eine Zunahme des Adaptionsgrades erwartet. Diese Effekte der Rückhaltung mikrobieller Biomasse werden um so stärker ausfallen, je kürzer die hydraulische Verweilzeit in der entsprechenden Biogasanlage ist.
Bei den folgenden Ausführungsbeispielen umfaßt der Inhalt eines Anaerobreaktors mit mikrobieller Biomasse zur Fermentation organischer Substanzen weichmagnetische Partikel, deren Durchmesser bevorzugt kleiner als etwa 0,5mm ist. Die Konzentration der magnetischen Partikel wird auf mindestens 1g je kg Trockensubstanz (TS) im Reaktor eingestellt. Diese Konzentration kann auf verschiedene Weise erreicht werden.
Es ist bekannt, daß magnetotaktische Bakterien in der Lage sind, aus Eisenionen Magnetit zu bilden. Entsprechende Bakterien sind auch aus Biogasanlagen isoliert worden. Weist die zu vergärende Biomasse in ihrer ursprünglichen Zusammensetzung bereits weichmagnetische Eigenschaften auf, genügt unter Umständen ein Aufkonzentrieren mittels magnetischer Zurückhaltung.
Alternativ oder in Ergänzung hierzu erfolgt die Zugabe magnetischer Partikel zu der mikrobiellen Biomasse. Als magnetische Partikel eignen sich insbesondere gemahlene technische Ferrite, mittels Abscheidung aus Filteraschen gewonnene weichmagnetische Stäube oder Filteraschen mit hohem Eisengehalt. Diese Stoffe werden entweder in Pulverform dem Inhalt des Reaktors zugesetzt oder zuvor in eine Suspension überführt. Diese Suspension kann auf wäßriger Basis hergestellt werden. Je nach zu vergärendem Substrat kann es zweckmäßig sein, die Einlagerung der weichmagnetischen Partikel in die mikrobielle Biomasse in einer wäßriger Lösung außerhalb des Biogasreaktors stattfinden zu lassen. Sowohl die so hergestellte magnetische Biomasse als auch überschüssige magnetische Biomasse aus anderen Reaktoren eignet sich als Zusatz zum Erreichen der erforderlichen Konzentration in der Biogasanlage.
1 und 2 zeigen schematische Darstellungen einer Biogasanlage mit einem vollständig durchmischten Reaktor und einer Biogasanlage mit einem nicht durchmischten Reaktor.
Der Gehalt an mikrobieller Biomasse in dem jeweiligen Reaktor wird mittels Abscheiden von mit Ferrit versetzter Reaktorflüssigkeit 3 mit Hilfe einer zur Abscheidung dienenden Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung 1 im Ablauf 5 eines Reaktors 10, 12 beeinflußt. Die Reaktorflüssigkeit 3, welche über einen Zulauf 4 mit zu vergärender Biomasse beschickt wird, wird in dem als Rührkesselreaktor gebildeten Reaktor 10 mittels eines Rührwerks 2 durchmischt.
Abgeschiedene mikrobielle Biomasse 20 oder ein Teil hiervon wird je nach erwünschter Konzentration der Biomasse in den Reaktor 10, 12 zurückgeführt. Die im Reaktor 10, 12 nicht mehr benötigte, mit Ferrit versetzte mikrobielle Biomasse kann nach dem magnetischen Abscheiden als Konzentrat in anderen Reaktoren zum Einsatz kommen. Über eine Gasabführung 6 wird das erzeugte Biogas abgeführt.
Die Entnahme der magnetisch aufzutrennenden, aus dem Reaktor 10, 12 ablaufenden Reaktorflüssigkeit kann in vollständig durchmischten Reaktoren (vgl. 1) an beliebiger Position erfolgen. Bei nicht oder nicht vollständig durchmischten Reaktoren (vgl. 2), wie zum Beispiel in dem nicht durchmischten UASB-Reaktor 12, ist es zweckmäßig, mehrere Entnahmestellen 5a, 5b, 5c in mehreren Höhenstufen einzurichten. Hierdurch kann zum einen eine unterstützende Biomasserückhaltung mittels Schwerkraftsedimentation etabliert werden. Zum anderen wird eine räumliche und zeitliche Akkumulation von Störstoffen verhindert. In dem Reaktor 12 befindet sich über einem Schlammbett 14 eine Überstandsflüssigkeit 13.
Die Zuführung der aus dem Reaktor 10, 12 ablaufenden Biomasse in die Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung 1 erfolgt möglichst gleichmäßig und für die mikrobiellen Agglomerate schonend. Hierzu eignet sich die Verwendung einer hinter der Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung 1 positionierten Entnahmepumpe 8 mit einer regelbaren Förderleistung. Die Abführung der aufgetrennten Gärflüssigkeitsbestandteile aus der Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung 1 ist vorteilhaft zu realisieren mittels der Einrichtung eines separaten Ablaufweges für die abgeschiedene Biomasse 11 und eines separaten Ablaufweges für eine abgetrennte Flüssigphase 30.
Für die Abführung der abgetrennten mirkobiellen Biomasse in einen Zwischenbehälter 9 ist die Einrichtung einer Feststoffpumpe 7 zweckmäßig. Anschließend wird über die Stellungsänderung von Ventilen 18 die abgeschiedene mikrobielle Biomasse über das selbe Rohr in den Reaktor 10, 12 zurückgeführt.
Insbesondere bei Biogasanlagen mit einer geringen hydraulischen Verweilzeit, beispielsweise UASB-Reaktoren, bietet sich die Etablierung einer kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Entnahme an, um die Notwendigkeit eines hohen Reservevolumens im Reaktor 10, 12 zu umgehen und den Bedarf an Abscheideraum und -Leistung zu begrenzen. In Abhängigkeit von der Frequenz der Reaktorbeschickung können im Regelbetrieb für die Zuführung in die Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung 1 allein die hydrostatischen Kräfte genutzt werden oder bei längeren Intervallen auch ein kontrolliert aufgebauter Biogasdruck. Unterbrochen wird die Abscheidung nur, um die abgeschiedene mikrobielle Biomasse zurück in den Reaktor 10, 12 zu führen.
Der Abscheidevorgang kann sowohl mit statischen Magnetfeldern als auch mit wandernden Magnetfeldern erfolgen. Statische Magnetfelder sind auf sehr einfache Weise einzurichten. Wandernde Magnetfelder besitzen neben der Abscheidefunktion auch eine Transportfunktion für die magnetische Biomasse, wodurch die Leistungsfähigkeit der Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung 1 erhöht werden kann.
Der Abscheidevorgang für die Reaktorflüssigkeit im Ablauf 5 mittels statischer Magnetfelder ist in einem oder mehreren vertikal aufgestellten aufwärts durchflossenen Abscheiderohren 15 auf einfache Weise durchzuführen (vgl. 3). In dem Abscheiderohr 15, welches in den Ablauf 5 des Reaktors 10, 12 (vgl. 1 und 2) integriert ist, werden mit Permanentmagneten 17 Magnetfelder mit der Magnetisierungsrichtung an die Wandung angelegt, so daß sich an der Wandung die mikrobielle Biomasse abscheidet 20. Durchsatzgeschwindigkeit, Abscheidegrad und maximale Rückhaltemenge können erhöht werden durch einen größere Rohranzahl sowie mittels zunehmender Stärke, Ausdehnung und Anzahl der Magnetfelder. Eine weitere Erhöhung der Abscheideleistung ist mit Hilfe von Veränderungen in der Rohrform zu erreichen. So kann gemäß 4A mittels Ausbuchtungen 22 in einem Abscheiderohr 16 ein größerer Bereich mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit 19 geschaffen werden und damit auch die Rückhaltung von Materialien mit einem sehr geringen magnetischen Anteil.
Anschließend verbleibt eine Flüssigkeitsphase 21 mit Stör- und Reststoffen des Vergärungsprozesses.
4B zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem geraden Abscheiderohr 15, zu dem parallel eine Welle 40 angeordnet ist. Die Welle 40 ist mit einem Antrieb 41 zum Drehen der Welle 40 versehen. Auf einer äußeren Oberfläche sind spiralförmig umlaufend auf der Welle 40 Permanentmagneten 42 zum Abscheiden der Magnetpartikel in dem Abscheiderohr 15 vorgesehen. Die Welle 40 kann als Rohr oder als Vollmaterial ausgeführt sein. Auf diese Weise ist eine mit Hilfe weniger Teile und im Aufbau einfach gestaltete Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung gebildet. Die Drehgeschwindigkeit der Welle 40 kann eingestellt werden. Ohne Berührung des Abscheiderohrs 15 können die Permanentmagnete 42 möglichst nah an der äußeren Oberfläche des Abscheiderohrs 15 vorbeigeführt werden, so daß die magnetische Kraftwirkung der Permanentmagnete 42 in optimierter Weise genutzt wird.
Die Querbewegung des Magnetfeldes zur Transportrichtung in dem Abscheiderohr 15 bewirkt eine periodische Querbewegung der abgeschiedenen und transportierten Magnetpartikel. Diese Querbewegung unterstützt den Trennprozeß und somit den Reinheitsgrad der abgeschiedenen Teilchen. Es erfolgt eine schonende Abscheidung mechanisch empfindlicher Teilchen, beispielsweise mikrobieller Agglomerate. Die so ausgebildete Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung ist vertikal oder horizontal einsetzbar. Unabhängig von der räumlichen Lage des Abscheiderohrs 15 kann die Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung verwendet werden, also auch das Abscheiderohr 15 umfassen.
Die Ablösung und Abführung der abgeschiedenen mikrobiellen Biomasse 20 bei der Verwendung statischer Magnetfelder erfolgt periodisch, im Wechsel mit der Abscheidung. Die Abführung der abgeschiedenen Biomasse 20 ist möglich mittels der kurzeitigen Erhöhung der Fließgeschwindigkeit oder der Aushebung des magnetischen Feldes sowie Kombinationen aus den beiden Optionen. Bei Permanentmagneten kann die Aufhebung des magnetischen Feldes über die räumliche Entfernung mittels Drehung einer Haltevorrichtung 23 um eine Drehachse 24 realisiert werden, was in den 5 und 6 gezeigt ist. Eine weitere Möglichkeit zur Beschleunigung des Ablösevorgangs besteht in der Umkehrung der Fließrichtung im Abscheiderohr 15.
Die Abscheidung mikrobieller Biomasse 20 mittels wandernder Magnetfelder ist in den 7 und 8 dargestellt. Mit dem Anlegen eines wandernden Magnetfeldes kann die mit weichmagnetischen Partikeln versetzte, mikrobielle Biomasse 20 neben der Abscheidung zusätzlich gezielt bewegt werden. Während die Abscheidung mit statischen Magnetfeldern zur Aufrechterhaltung der Funktions- und Leistungsfähigkeit periodisch zum Abführen des abgeschiedenen Feststoffes unterbrochen werden muss, ermöglicht die simultane Biomasse-Abführung eine kontinuierliche Abscheidung bei konstanter Abscheideleistung. Durch die Veränderungen der Wandergeschwindigkeit kann außerdem ohne Zeitverzögerung auf veränderte Eigenschaften der Gärflüssigkeit sowie veränderte Anforderungen an den Abscheidegrad reagiert werden. Die Bewegung der mikrobiellen Biomasse mittels wandernder Magnetfelder erfolgt auf diese Weise unter Schonung der Struktur der Bakterien-Agglomerate. Die technische Ausführung kann in Form von Permanentmagneten 17, die mit Hilfe eines Förderbandes 25 bewegt werden (vgl. 7), oder mittels Stromflußänderung in Elektromagneten 26 erfolgen (vgl. 8). Auf diese Weise wird jeweils ein wanderndes Magnetfeld erzeugt.
Der Zusammenhang zwischen gemessener magnetischer Suszeptibilität im Ablauf 5 und der optimalen Konzentration aktiver mikrobieller Biomasse hängt von der An der Biogasanlage, der Betriebsweise und dem verwendeten Substrat ab. Deshalb wird der Zusammenhang bei laufendem Betrieb für die Anlage bestimmt und in größeren Zeitabständen kontrolliert. Hierzu eignen sich die Prozeß- und Leistungsparameter des Methanisierungsprozesses. Ziel ist eine möglichst hohe Methanausbeute aus den zu vergärenden Substraten in möglichst kurzer Zeit zu erreichen. Optimal ist die Konzentration an mikrobieller Biomasse die zum Erreichen der maximalen Umsatzgeschwindigkeit gerade ausreicht.
Als Anzeichen für eine zu geringe Konzentration an mikrobieller Biomasse können gelten eine hohe Konzentration an organischen Säuren im Ablauf von über 1g/l Essigsäureäquivalent, eine geringe Methankonzentration im Biogas von unter SS Vol.% oder ein hoher oder stark schwankender Wasserstoffgehalt im Biogas oder gelöst in der Gärflüssigkeit. Eine zu hohe Konzentration an mikrobieller Biomasse kann aus einem zunehmenden Gehalt an organischer nicht mikrobieller Biomasse im Ablauf der Biogasanlage geschlossen werden. Die magnetische Suszeptibilität des Reaktorinhalts wird mittels Rückführung abgeschiedener Biomasse oder/und Zusatz von weichmagnetischem Material so eingestellt, daß eine ausrei chende magnetische Abscheidung der Biomasse für den optimalen Reaktorbetrieb gewährleistet ist.
Zum Erhalt oder Ausbau der Leistungsfähigkeit oder Menge der mikrobielle Biomasse kann vor der Rückführung der abgeschiedenen Biomasse in die Biogasanlage eine Zwischenbehandlung zweckdienlich sein. Hierzu gehört das Spülen mit Wasser zur Reinigung, das Zerkleinern von mikrobiellen Agglomeraten, um neue Wachstumskeime zu erhalten und das Anreichern mit magnetischen Partikeln, um die Abscheidewirkung zu erhalten oder zu erhöhen.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Reaktors einer Biogasanlage, in welchem Meßsonden 27 angeordnet sind.
Um die Konzentration und räumliche Verteilung der Biomasse in dem Reaktor 12 zu bestimmen, wird mit Hilfe der Meßsonden 27 die magnetischen Suszeptibilität gemessen. Die Meßsonden 27 messen nach bekannten Verfahren die magnetische Suszeptibilität des Reaktorinhalts an der jeweiligen Sondenposition. Die gemessene magnetische Suszeptibilität gibt Auskunft über die Anwesenheit ferromagnetischer Partikel und damit über die an die magnetischen Partikel gekoppelte mikrobielle Biomasse.
Zur Kalibrierung der Suszeptibilitäsmessung wird die mikrobielle Biomasse in regelmäßigen Abständen mittels bekannter Methoden bestimmt. Wenn ein Großteil der mikrobiellen Biomasse in granulierter Form vorliegt und sich damit deutlich vom übrigen Reaktorinhalt unterscheidet, kann die granulierte mikrobielle Biomasse über die Auszählung der Granulate sowie durch gravimetrische oder volumetrische Methoden bestimmt werden. Weitere Möglichkeiten zur Bestimmung der mikrobiellen Biomassen bestehen in der Messung der Eigenfluoreszenz prozessbeteiligter Bakterien, der Verwendung von Fluoreszenzmarkern oder der Ermittlung der Menge an mikrobieller DNA.
10 zeigt einen Abschnitt eines Abscheiderohres, in welchem eine Meßkammer 28 zur Messung einer magnetischen Suszeptibilität angeordnet ist.
Die Meßkammer 28 wird zur Messung der magnetischen Suszeptibilität in der abgetrennten Flüssigphase 21 der Reaktorflüssigkeit genutzt, um den Effekt der magnetischen Trennung zu prüfen. Dazu wird die Meßkammer 28 mit Hilfe einer Pumpe abwechselnd mit dem Ablauf und einem Zulauf 29 für eine Vergleichsflüssigkeit, beispielsweise reinem Wasser, gefüllt. Aus der Differenz der Meßwerte kann auf die Anwesenheit weichmagnetischer Partikel im Ablauf des Reaktors geschlossen werden.
Im folgenden werden weitere Aspekte der Erfindung anhand von experimentellen Untersuchungen weiter erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung von Biogas mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens betrifft die Vergärung von Brennereischlempe. Anhand von Versuchen zur Rückhaltung mikrobieller Biomasse in schlempevergärenden Reaktoren wird im folgenden das Verfahren weiter erläutert. Hierbei wurden in drei Versuchen folgende Aspekte näher analysiert: Versuch 1a – Aufmagnetisierung und Abscheidung von Bakterienflocken mit einem magnetischen Fangstab; Versuch 1b – Aufmagnetisierung und Abscheidung von Bakterienflocken mit seitlich angeordneten Magneten; Versuch 2 – Aufmagnetisierung und Abscheidung von Bakteriengranulaten; Versuch 3 – Entwicklung der Leistungsfähigkeit des Prozesses der Biogasbildung bei Anwendung der magnetischen Rückhaltung mikrobieller Biomasse In allen Versuchen wurde zur Aufmagnetisierung Ferrit der Firma Siemens mit der Bezeichnung SIFERRIT N27 verwendet, dessen Korngröße unter 63μm liegt. Zur Bestimmung des Magnetisierungsgrades in Form der magnetischen Suszeptibilität wurde der Analysator FMA5000 der Firma Forgenta verwendet. Die Eigenschaften des zur Separierung verwendeten Dauermagnetentyps können aus der Tabelle 1 entnommen werden.
Tabelle 1
Versuch 1a – Aufmagnetisierung und Abscheidung von Bakterienflocken mit einem magnetischen Fangstab
In dem nachfolgend beschriebenen Versuch wurde die Gärflüssigkeit aus einem Biogasreaktor zur Schlempevergärung mit unterschiedlichen Konzentrationen an Ferrit versetzt und anschließend durch eine magnetische Separationsvorrichtung geleitet.
Die Gärflüssigkeit besaß hinsichtlich der Trockensubstanz (TS) und der organischen Trockensubstanz (oTS) folgende Eigenschaften:

– TS-Gehalt 1,91% der Originalsubstanz und
– oTS-Anteil 75,1% der TS

Es wurden vier Versuchsvarianten mit unterschiedlichen Abstufung der Ferritkonzentration eingerichtet. Bezogen auf die Trockenmasse der Gärflüssigkeit wurden in etwa folgende Ferrit-Schlamm-Verhältnisse hergestellt: 0/0,01/0,02/0,1. Die Aufmagnetisierung der Flocken erfolgte in den Schritten

– Zugabe der benötigten Ferrit-Menge zu jeweils 500ml der Gärflüssigkeit und
– 5-minütiges Verschütteln.

Anschließend wurde in allen vier Varianten die magnetische Suszeptibilität gemessen (vgl. Tabelle 2).
Tabelle 2
11 zeigt eine schematische Darstellung der für die Untersuchungen genutzten Anordnung.
Für den Abscheideversuch wurde ein etwa 40cm langes Plexiglasrohr mit einem Innendurchmesser von 26mm und einer Wandstärke von 2mm als Abscheiderohr 100 verwendet. Das Abscheiderohr 100 ist vertikal aufgestellt, eine untere Rohröffnung wird mit einem aufgesetzten Zulauf-Schlauch 101 genutzt. Für einen Ablauf wurde unterhalb des oberen Rohrendes ein Stutzen 103 in die Wandung eingesetzt. Durch einen Ablauf-Schlauch 102 wurde die abgetrennte Flüssigkeit in einen gasdichten Auffangbehälter 105 geleitet. Zum Hochpumpen der zu separierenden Flüssigkeit wurde mittels einer Vakuumpumpe 104 ein Unterdruck im Auffangbehälter 105 angelegt.
Zur Abscheidung der aufmagnetisierten Bestandteile der Gärflüssigkeit wurden im Abscheiderohr 100 magnetische Felder geschaffen. Dies erfolgte mittels eines magnetischen Fangstabes, hergestellt aus gleichpolig aufeinander gestapelten Dauermagneten sowie einer Ummantelung aus Edelstahl. Die Dauermagneten weisen eine zylindrische Form mit den Abmessungen 10 × 5mm (Durchmesser × Höhe) sowie den in Tabelle 1 aufgeführten Eigenschaften auf. Mit diesem Aufbau wurde sehr heterogenes Magnetfeld im Abscheiderohr 100 geschaffen, umsomit quer zur Strömungsrichtung eine möglichst hohe Separationswirkung sowie eine starke Haftwirkung zu erreichen (vgl. 12).
Um ein einfaches Ablösen des abgeschiedenen magnetischen Substanzen zu ermöglichen, wurde ein zweites Plexiglasrohr mit einem Innendurchmesser von 12mm und einer Wandstärke von 2mm mittig in einem ersten Plexiglasrohr befestigt. In diesem wurde der Fangstab freibeweglich gelagert, so daß er ohne Umbau zügig eingesetzt und herausgezogen werden konnte.
Während der Abscheideversuche wurden vier zu analysierenden Gärflüssigkeits-Varianten mit einer Steiggeschwindigkeit von etwa 1 cm pro Sekunde durch die Abscheidevorrichtung gepumpt, was einer Verweildauer im Rohr von etwa 40 Sekunden entsprach. Um eine vorzeitige sedimentative Entmischung zu vermeiden, wurde die Gärflüssigkeit ständig gerührt. Zur Bestimmung der erzielten Abscheidegrade für Feststoffe und Ferrit wurden jeweils die ersten 200ml der abgetrennten Flüssigphase hinsichtlich des TS- und oTS-Gehaltes sowie der magnetischen Suszeptibiliät analysiert. Aus den TS-Gehalten und der magnetischen Suszeptibiliät von und nach der Separation wurde der TS- bzw. der Ferrit-Abscheidegrad ermittelt.
13 zeigt ein grafische Darstellung von Meßergebnissen für den Abscheidungsgrad in Abhängigkeit von einer Ferritkonzentration.
Wie sich ergibt, wurden bei Ferritkonzentrationen zwischen 0 und 0,02g je g Trockensubstanz der Gärflüssigkeit nur geringe TS-Anteile zwischen 3,6 und 7,4% abgeschieden. Dagegen konnte mit einer Ferritkonzentration von 0,1g eine deutlich höhere Menge von 20% der TS abgeschieden werden. Die Abscheidung von 5,8% der TS in der nicht magnetisierten Variante 1 gibt Auskunft über den Einfluß der Schwerkraft-Sedimentation auf das Separationsergebnis. Trotz der nur sehr geringen Abscheidegrade bei geringen Ferritkonzentrationen, konnte auch bei diesen Varianten das Wirkprinzip der magnetischen Rückhaltung bestätigt werden. So waren in allen Varianten deutlich sichtbare Ansammlungen organischen Materials am Fangstab festzustellen.
Die Analyse der oTS-Gehalte in der separierten Gärflüssigkeit erbrachte keine wesentlichen Unterschiede zum Originalgehalt von ca. 75% der TS. Es wurden oTS-Anteile an der TS zwischen 78 und 82% ermittelt.
Bei der Betrachtung des Ferrit-Abscheidegrades fällt auf, daß dieser bei insgesamt geringem Niveau mit höhere Konzentration anstieg von 45% in Variante 2 auf 68% in Variante 4. Dieses Verhalten läßt die Vermutung zu, daß ein Großteil des zugegebenen Ferrits sich sehr stabil mit den in der Gärflüssigkeit enthaltenen Bakterienflocken verbunden hat, für deren Abscheidung in Abhängigkeit von Größe und Gewicht jedoch eine bestimmte Mindestmenge an Ferrit erforderlich war. Da nach der Abscheidung am Fangstab in allen Varianten neben organischem Flockenmaterial auch noch freies Ferrit zu sehen war, ist davon auszugehen, daß die Einwirkungsdauer zur Herstellung des Ferrit-Flocken-Kontakts von fünf Minuten zu gering gewählt wurde.
Neben der starken Bindung des Ferrits an die Bakterienflocken konnte außerdem eine hohe Selektivität des magnetischen Abscheidungsverfahrens für die Bakterienflocken beobachtet werden. So wurden bei der visuellen Untersuchung des magnetisch abgetrennten Feststoffes neben Bakterienflocken und freien Ferritpartikeln kaum anderer Stoffe aufgefunden.
Neben der visuellen Analyse wurden die in Variante 4 abgeschiedenen Bakterienflocken auch hinsichtlich der magnetischen Suszeptibiliät untersucht. Hierbei ergab die Messung in einer wäßrigen Probe mit einem Flocken-Trockensubstanzgehalt von 3,2% die volumenbezogene Suszeptibilität von 3,27 × 10^–6 und die spezifische massebezogene Suszeptibilität von 1,02 × 10^–4 cm³g^–1. Bei Einbeziehung des Umrechnungsfaktors für den Ferritgehalt in Gramm pro Liter von 2,84 × 10⁶ (volumenbezogene Suszeptibilität) ergibt sich ein TS-Verhältnis von Ferrit- zu Flockenmasse von ca. 0,4. Dies entspricht einem Ferritanteil in der abgeschiedenen Gesamttrockensubstanz von 29%. Dieser Wert stimmt in etwa mit dem gravimetrisch bestimmten Gehalt an organischer Substanz von 73% bzw. anorganischer Substanz von 27% überein. Da jedoch davon auszugehen ist, daß während des Abscheidungsvorganges eine starke nachträgliche Aufmagnetisierung mit noch freien Ferritpartikeln erfolgte, sollte der ursprünglich Ferritgehalt der Flocken, der für die magnetische Abscheidung ausreichte, deutlich geringere Werte aufgewiesen haben.
Aus den Ergebnissen läßt sich ableiten, daß mit Hilfe der magnetischen Separierung mittels eines magnetischen Fangstabes eine Rückhaltung von zumindest Teilen der Bakterienflocken in Biogasanlagen erreicht wird. Mineralische Partikel sowie nicht zu verwertende organische Substanzen werden dagegen kaum aufmagnetisiert und können daher ungehindert ausgetragen werden.
Für die hier angewendete Methode erwies sich, basierend auf den Trockensubstanzgehalt, ein Ferrit-Gärflüssigkeits-Verhältnis im Bereich von 0,1 oder höher als günstig. Bei der Verwendung anderer magnetischer Stoffe, müßte entsprechend der magnetischen Eigenschaften ein Korrekturfaktor verwendet werden. Zur Kontrolle des Abscheidegrades bestehen neben der TS- und oTS-Analyse die weiteren Möglichkeiten:

– Abtrennen und Bestimmen der Frockenmasse durch Sedimentation
– mikroskopische Analyse der Flockengröße und -anzahl
– Bestimmung der DNA-Konzentration
– genetische Analysemethoden

Versuch 1b – Aufmagnetisierung und Abscheidung von Bakterienflocken mit seitlich angeordneten Magneten
Zur Untersuchung der Abscheidewirkung von außen an das Abscheiderohr angelegten Permanentmagneten erfolgte ein Separationsversuch mit Reaktorflüssigkeit einer schlempevergärenden Biogasanlage.
Die Reaktorflüssigkeit besaß hinsichtlich der Trockensubstanz (TS) und der organischen Trockensubstanz (oTS) folgende Eigenschaften:

– TS-Gehalt 2,2% der Originalsubstanz und
– oTS-Anteil 75% der TS.

Für die Aufmagnetisierung der mikrobiellen Biomasse wurde ein Trockensubstanzverhältnis von Ferrit zu Schlamm von 0,03 eingestellt. Daraus ergaben sich eine volumenbezogene magnetische Suszeptibilität von etwa 2,4 × 10^–7 sowie eine spezifische Suszeptibilität, bezogen auf die Trockenmasse der Reaktorflüssigkeit, von etwa 1,1 × 10^–5 cm³g^–1.
Für den Abscheideversuch wurde ein etwa 40cm langes Plexiglasrohr mit einem Innendurchmesser von 36mm und einer Wandstärke von 2mm als Abscheiderohr 100 verwendet (s. 14). Das Abscheiderohr 100 ist vertikal aufgestellt, die untere Rohröffnung wird über den angeschlossenen Zulauf-Schlauch 101 genutzt. Für einen Ablauf wurde unterhalb des oberen Rohrendes der Stutzen 103 in die Wandung eingesetzt. Durch den Ablauf-Schlauch 102 wurde die separierte Flüssigkeit in den gasdichten Auffangbehälter 105 geleitet. Zum Hochpumpen der zu separierenden Flüssigkeit wurde mittels der Vakuumpumpe 104 ein Unterdruck im Auffangbehälter 105 angelegt.
Zur Abscheidung der aufmagnetisierten Bestandteile der Gärflüssigkeit wurden im Abscheiderohr 100 magnetische Felder geschaffen. Dies erfolgte mittels eines mit Dauermagneten be stückten U-Rohres aus magnetischem Stahl, wobei das Abscheiderohr in der Mitte zwischen den Schenkeln positioniert wurde. Mit dieser Anordnung läßt sich die magnetische Flußdichte im Vergleich zum Einzelmagneten um den Faktor acht erhöhen. Im Vergleich zu einem Fangstab, wie oben im Versuch 1a verwendet, wird hierdurch jedoch die Heterogenität der magnetischen Feldstärke relativ verringert. Diese ist für die Kraftübertragung in horizontaler Richtung entscheidend und somit auch für Haltekraft der Feststoffpartikel an der abscheidenden Wand. Die Dauermagneten wurden ohne Abstand in zwei gegenüberliegenden Reihen auf die Innenseiten der Schenkel des U-Rohres gesetzt, so dass innerhalb der Reihen eine alternierende Polarität und gegenüberstehend eine gleiche Polausrichtung hergestellt wurde. Die Dauermagneten wiesen eine zylindrische Form mit den Abmessungen 30 × 15mm (Durchmesser × Höhe) sowie den in Tabelle 1 aufgeführten Eigenschaften auf. Mit diesem Aufbau sollte eine möglichst hohe magnetische Flussdichte im Abscheiderohr 100 geschaffen werden.
Während des Abscheideversuchs wurde die Gärflüssigkeit chargenweise in die Abscheidevorrichtung gepumpt, worauf jeweils eine fünfminütige Einwirkungszeit folgte. Um eine vorzeitige sedimentative Entmischung zu vermeiden, wurde die Gärflüssigkeit ständig gerührt. Zur Bestimmung der erzielten Abscheidegrade für Feststoffe und Ferrit wurden die ersten 200ml der abgetrennten Flüssigphase hinsichtlich des TS- und oTS-Gehaltes sowie der magnetischen Suszeptibiliät analysiert. Aus den TS-Gehalten und der magnetischen Suszeptibiliät von und nach der Separation wurde der TS- bzw. der Ferrit-Abscheidegrad ermittelt. Außerdem wurde durch Absetzversuche der unseparierten Gärflüssigkeit und der abgetrennten Flüssigphase der Abscheidegrad für Bakterienflocken ermittelt.
Folgende Abscheidegrade wurden erreicht:

– Trockensubstanz: 0,72%
– organische Trockensubstanz: 0,79%
– Ferrit: 99,9%
- Bakterienflocken: 99,7%

Aus den Versuchsergebnissen ist zu folgern, dass mit Hilfe der magnetischen Abscheidung eine nahezu vollständige Rückhaltung von Ferrit und Bakterienflocken möglich ist. Dabei steigt die notwendige Ferrit-Konzentration mit geringerer Verweildauer in der Rückhaltevorrichtung sowie schwächeren Magnetfeldern. Für vergleichbare Bedingungen wie im Versuch kann als Orientierungswert für die praktische Anwendung ein Trockensubstanzverhältnis von Ferrit zu Schlamm von 0,03 bzw. eine spezifische magnetische Suszeptibilität, bezogen auf die Trockenmasse der Reaktorflüssigkeit, von etwa 1,1 × 10^–5 cm³g^–1 benutzt werden.
Trotz der in Bezug auf den Abscheidegrad vorteilhaften seitlichen Magnetanordnung kann je nach Anwendungsart, insbesondere bei höheren Anforderungen an die Selektivität, auch die Nutzung des magnetischen Fangstabes bevorzugt sein.
Versuch 2 – Aufmagnetisierung und Abscheidung von Bakteriengranulaten
Aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit von Bakteriengranulaten gegenüber Bakterienflocken, bezogen auf den Abbau organischer Säuren zu Biogas, erscheint es erstrebenswert, Teile der prozeßbeteiligten mikrobiellen Biomasse in Rührkesselreaktoren in Form von Bakteriengranulaten zu halten. Neben der spontanen Bildung aus Bakterienflocken, für die vermutlich ein längerer Zeitraum von mehreren Wochen bis Monaten notwendig ist, besteht die Möglichkeit, überschüssige bakterielle Granulate aus anderen Reaktoren einzusetzen. Vorraussetzung für das Funktionieren dieser Strategie ist jedoch das Erzielen eines ausreichend hohen Rückhaltegrades. Die alleinige Nutzung der Sedimentationswirkung, wie in UASB-Biogasanlagen angewendet, ist in Rührkesselreaktoren nicht möglich, was sich begründet durch die Fähigkeit der Granulate bei höherem Stoffumsatz durch anhaftendes Biogas aufzusteigen.
In dem nachfolgend beschriebenen Versuch soll daher die Aufnahmefähigkeit der Granulate für pulverförmiges Ferrit sowie die Separationsfähigkeit durch magnetische Vorrichtungen untersucht werden.
Bezüglich der Ferritkonzentration wurden verschiedene Versuchsvarianten eingerichtet. Als Reaktionsmedium wurde sowohl Wasser als auch Gärflüssigkeit verwendet. Folgende Verhältnisse von Ferrit zu Granulat-Trockensubstanz wurden eingestellt: 0,002/0,01/0,05/0,2/0,5 im wässrigen Reaktionsmedium und 0,01/0,05/0,2 in der Gärflüssigkeit. Des weiteren wurde folgende Versuchsanordnung gewählt:

– mikrobielles Granulat aus einer UASB-Biogasanlage zur Behandlung von Abwässern aus der kartoffelverarbeiteten Lebensmittelindustrie
– Gärflüssigkeit aus der Vergärung von Brennereischlempe
– Durchführung der Reaktion bei 35°C, anaeroben Milieu, ständiger Homogenisierung und einer Dauer von 24 h

Als Ergebnis konnte die Beziehung zwischen der Ferritkonzentration und der magnetischen Suszeptibilität der bakteriellen Granulate ermittelt und dargestellt werden.
15 zeigt experimentelle Ergebnisse für die Aufmagnetisierung bakterieller Granulate bei unterschiedlichen TS-Verhältnissen von Ferrit zu Granulat im Reaktionsgemisch nach 24-stündiger Einwirkung.
Es ergibt sich, daß mit Hilfe der Ferritzugabe eine deutliche Aufmagnetisierung der bakteriellen Granulate erreicht werden konnte. Hierbei fällt auf, daß bereits die unbehandelten Granulate eindeutig magnetische Eigenschaften aufwiesen, mit eine Suszeptibilität im Bereich um 7 × 10^–9. Im Wasser als Ort der Reaktion konnte das Sättigungsverhalten der Ferritaufnahme von fertig ausgebildetem Granulat ermittelt werden, für das sich ein Wert im Bereich um 1,5 × 10^–7 ergab.
Die Ferrit-Aufnahme der Granulate in der Gärflüssigkeit wies im Vergleich zum Wasser eine deutlich geringere Intensität auf. Begründet werden kann dies mit dem natürlichen Gehalt an konkurrierenden Bakterienflocken in der Gärflüssigkeit. Wie in Versuch 1 gezeigt wurde, besitzen die Bakterienflocken gegenüber dem Ferrit eine sehr große Aufnahmefähigkeit sowie eine hohe Bindungskraft. Im Vergleich lagen die maximal erreichten Werte der spezifischen magnetischen Suszeptibilität für die Granulate (ca. 12%TS) mit etwa 1,8 × 10^–6cm³g^–1 deutlich unterhalb des Wertes für die Flocken mit 1,02 × 10^–4cm³g^–1. Demnach ist die TS-bezogene Aufnahmefähigkeit von Ferrit bei Flocken etwa 57 mal größer als bei Granulaten. Zu begründen ist der geringere Wert für die Granulate mit einer höheren Kompaktheit sowie der relativ glatten Oberflächenstruktur.
Für den nach der Aufmagnetisierung vorgesehenen Abscheideversuch wurden die selbe Vorrichtungen und Methoden verwendet wie in den Versuchen zur Zurückhaltung der Bakterienflocken 1a und 1b. Aufgrund der zum Teil sehr hohen Sedimentationsgeschwindigkeit der Granulate mit bis 3cm pro Sekunde (wäßriges Medium) kam es jedoch bereits auf den ersten Zentimetern des Abscheiderohres zu einer starken Entmischung, so daß dieser Versuch nicht ausgewertet werden konnte. Wie sich jedoch zeigte, konnten zumindest bei den beiden am stärksten magnetisierten Varianten einige Granulate magnetisch abgeschieden werden. Wie für die Bakterienflocken in den Versuchen 1a und 1b, zeigte sich auch bei den Granulaten eine höhere Abscheidewirkung bei seitlich angeordnete Magneten. Aus den Versuchsergbnissen ist zu schließen, daß prinzipiell auch eine magnetische Abscheidung und Rückhaltung von mikrobiellen Granulaten möglich ist.
Aus den Ergebnissen der Versuche 1a, 1b und 2 kann gefolgert werden, daß mikrobielle Agglomerate eine ausgeprägte Fähigkeit zur Aufmagnetisierung besitzen. Verdeutlicht wurde diese Eigenschaft auch durch die bereits im natürlichen Granulat nachgewiesene magnetische Suszeptibilität von 7 × 10^–9. Die Intensität der Aufmagnetisierung läßt sich in einem weiten Bereich variieren, durch die Zugabe magnetischer Partikel. Um auch in bakteriellen Granulaten eine ausreichend hohe Menge an magnetischer Substanz zu inkorporieren, ist zu empfehlen, die Magnetpartikel bereits in der Entstehungsphase der Granulate, im Flockenstadium, zu verabreichen. Damit kann, wie Versuch 1 zeigte, die wesentlich höhere Aufnahmekapazität und Bindungsstärke der Bakterienflocken genutzt werden.
Versuch 3 – Entwicklung der Leistungsfähigkeit des Prozesses der Biogasbildung bei Anwendung der magnetischen Rückhaltung mikrobieller Biomasse
Für Untersuchungen zur Analyse der Auswirkungen der magnetischen Rückhaltung mikrobieller Biomasse auf den Biogasprozeß wurden zwei Labor-Biogasanlagen parallel mit dem Eingangsmaterial Brennereischlempe betrieben. Neben einem Reaktor SR1 mit Rückhaltung wurde ein zweiter Reaktor SR2 als Kontrollvariante ohne Rückhaltung betrieben, unter ansonsten jedoch identischen Bedingungen. Im Einzelnen wurden für die Versuchsdurchführung mit den Reaktoren SR1 und SR2 folgende Materialien und Methoden verwendet:

– zwei Glasfermentoren mit einem nutzbaren Inhalt von jeweils etwa 2 Litern
– Prozeßtemperatur 35°C
– Versuchsdauer 105 Tage
– Prozeßinitiierung mit Gärflüssigkeit aus einem anderen brennereischlempe-vergärenden Laborfermenter
– einmalige Zugabe von Ferrit am 3. Versuchstag im Trockenmasseverhältnis zur Gärflüssigkeit von 0,04 in den Reaktoren SR1 und SR2
– regelmäßiges periodisches Rühren der Reaktorflüssigkeit
– tägliche einmalige Beschickung mit Brennereischlempe
– SBR-Betriebsweise (SBR – „Sequencing-Batch-Reactor"), also Entnahme der Reaktorflüssigkeit in größeren Abständen (etwa alle 10 Tage) als die Zugabe, dadurch zwischenzeitliche Erhöhung des Reaktorfüllstandes
– Entnahme der Gärflüssigkeit unter ständigem Rühren des Fermenterinhaltes
– schrittweise Steigerung der Raumbelastung mit organischer Substanz von 0,75 gl^–1d^–1 am Versuchsstart auf 2,5 gl^–1d^–1 am Versuchsende
– Analyse der Biogasbildung hinsichtlich Menge und Zusammensetzung
– Analyse der Reaktorabläufe hinsichtlich magnetischer Suszeptibilität, pH-Wert, Redoxpotenzial sowie den Gehalten an Trockensubstanz, organischer Trockensubstanz, Gärsäuren, Gesamt-Stickstoff und Ammonium-Stickstoff

Hinsichtlich der Rückhaltung mikrobieller Biomasse im Reaktor SR1 wurde folgendermaßen vorgegangen:

– Entnahme der Gärflüssigkeit direkt aus dem Reaktor SR1 durch ein gasdicht in den Fermenter eintauchendes Rohr, an dem direkt die Abscheidevorrichtung aufgesetzt wurde
– Entnahme der Flüssigkeit in drei Einzelchargen, mit einer jeweils entnommen Menge von 150-200ml
– Separation in einem vertikal aufgestellten und von unten beschickten Plexiglasrohr mit einem Innendurchmesser von 14mm und einer Wandstärke von 2mm, bei einer Verweilzeit im Abscheiderohr von etwa 10 Minuten
– Ableiten der separierten Flüssigkeit durch einen Stutzen am oberen Rohrende
– Auffangen der separierten Flüssigkeit in einem gasdichten Behälter
– Ansaugen der Gärflüssigkeit durch das Anlegen von Unterdruck in dem Auffangbehälter mit Hilfe einer Schlauchpumpe
– Zurückführen der abgeschiedenen Feststoffe in Reaktor SR1 nach jeder Einzelcharge durch Strömungsumkehr

Während des Separationsvorgangs wurde das Abscheiderohr wie in Versuch 1b, seitlich mit Dauermagneten bestückt (vgl. 14). Als Träger wurde ebenfalls ein U-Rohr verwendet. Für die Abscheidevorrichtung verwendet wurden fünf einzelne etwa 20cm lange U-Rohrstücke, besetzt mit jeweils 20 zylinderförmigen Dauermagneten (je 10 pro Schenkel). Die Dauermagneten besaßen bei den Abmessungen von 10 × 5mm (Durchmesser × Höhe) die in Tabelle 1 oben aufgeführten Eigenschaften. Nach Beendigung des Abscheidevorgangs, vor dem Zurückspülen der abgeschiedenen Feststoffe, wurden die Magnete vom Abscheiderohr entfernt, um so ein leichteres Ablösen der Feststoffe zu ermöglichen.
16 zeigt eine Gegenüberstellung der Entwicklung der Biogasrate für die Reaktoren SR1 und SR2 bei einer Steigerung der oTS-Raumbelastung.
Wie 16 zu entnehmen ist, teilt sich der Prozeßverlauf des Fermentationsversuches mit den Reaktoren SR1 und SR2 in drei Phasen. Dazu gehören eine zweiwöchige Anlaufphase zu Prozeßbeginn mit unterschiedlich hohen Biogasraten eine synchronverlaufenden mittleren Phase bis zum 77. Versuchstag mit einer Steigerung der oTS-Raumbelastung von 1 auf 2 gl^–1d^–1 und dem Anstieg der Biogasbildungsraten von 0,75 auf 1,5 11^–1d^–1 sowie eine sich auseinander entwickelnde Schlussphase mit einer oTS-Raumbelastung von 2,5 gl^–1d^–1 und einer stabilen Biogasrate in SR1 um 1,8 11^–1d^–1 und einer auf 0,911^–1d^–1 deutlich abfallenden Biogasrate in SR2.
Aus den Versuchsergebnissen ist abzuleiten, daß bei der Erhöhung der oTS-Raumbelastung von 2 auf 2,5 gl^–1d^–1 ab dem 78. Versuchstag in SR2 eine Überlastung des Prozesses einsetzte, während der Prozeß in SR1 stabil vortgesetzt werden konnte. Eine genauere Analyse der Vorgänge in den beiden Fermentoren wird mittels Untersuchung der Eigenschaften der Ablauf-Flüssigkeiten ermöglicht (vgl. unten Erläuterungen zu 17).
Wie anhand der Darstellung der Biogasrate in 16 nicht zu erkennen ist, wurde für SR1 bereits bei oTS-Belastungen unter 2 gl^–1d^–1 eine höhere potentielle Leistungsfähigkeit festgestellt als im Reaktor SR2. So erreichte die Biogasrate im Reaktor SR1 während der ersten Stunden nach der Substratzugabe deutlich höhere Werte als im Reaktor SR2. Im weiteren Verlauf glichen sich die durchschnittlichen Biogasraten der Reaktoren SR1 und SR2 jedoch wieder aneinander an, bedingt durch den schnelleren Rückgang im Reaktor SR1. Aus diesem Verhalten kann abgeleitet werden, daß die magnetische Rückhaltung mikrobieller Biomasse auch bei geringeren Belastungsstufen eine höhere Umsatzleistung ermöglicht, vorrausgesetzt die Substratzugabe erfolgt möglichst gleichmäßig in mehreren Gaben über den Tag verteilt. Diese quasikontinuierliche Zugabe wird in der Praxis bereits seit längerer Zeit angewendet, da sie auch in Biogasanlagen ohne eine magnetische Rückhaltung zu höheren Umsatzleistungen führt.
17 zeigt die Entwicklung des pH-Wertes und der Propionsäure-Konzentration in den Reaktoren SR1 und SR2.
Aus der Darstellung in 17 ergibt sich, daß im Reaktor SR2 mit einem Abfall auf pH 6,5 bzw. einem Propionsäure-Anstieg auf 2,3 gl^–1 ein eindeutiger Hinweis auf eine Prozessüberlastung besteht. Dagegen zeigt SR1 weiterhin stabile Meßwerte. Dieses unterschiedliche Verhalten der Reaktoren SR1 und SR2 stimmt mit der Entwicklung der Biogasbildungsraten überein. Daraus ist zu folgern, daß im Reaktor SR1 der Effekt der magnetischen Rückhaltung mikrobieller Biomasse prozeßwirksam wurde und sich eine leistungsfähigere Bakterienmasse etablierte. Das Funktionsprinzip der magnetischen Rückhaltung kann auch anhand der Messergebnisse für die magnetische Suszeptibilität dargestellt werden.
18 zeigt die Entwicklung der magnetischen Suszeptibilität in den Ablaufflüssigkeiten der Reaktoren SR1 und SR2.
Der Kurvenverlauf der magnetischen Suszeptibilität in der Ablaufflüssigkeit des Reaktors SR2, ohne eine magnetische Rückhaltung, besitzt die Form einer typischen Abklingkurve, so ist 12 Wochen nach der Ferritzugabe kaum noch eine magnetische Suszeptibilität nachzuweisen. Daraus ist abzuleiten, daß auch alle Bakterienagglomerate die sich zu Prozessbeginn im Fermenter befanden ausgetragen wurden und sich damit im Reaktor SR2 ausschließlich neugebildete Agglomerate befinden. Dadurch wird die Fähigkeit der Agglomerate zum Wachstum und zur Adaption nur sehr geringfügig genutzt.
Im Ablauf des Reaktors SR1 dagegen zeigt die Kurve den Verlauf einer Optimumskurve Dies läßt den Schluss zu, daß, bei ansonsten konstanten Bedingungen, der Verlustgrad an Ferrit mit einer ansteigenden TS-Konzentration zunimmt. Insgesamt lag der je Abscheidungsvorgang zurückgehaltene Anteil noch vorhandenen Ferrits zwischen 77 und 98%.
Der Verlauf der TS-Konzentration im Reaktor SR1 wurde in diesem Versuch nicht erfasst, da in der Probenahme aus dem sehr kleinvolumigen Reaktor die Gefahr einer zu starken Versuchsbeeinträchtigung gesehen wurde. Zur Bestimmung des TS-Abscheidegrades genutzt werden kann jedoch der Vergleich der TS-Gehalte in den Ablaufflüssigkeiten der Reaktoren SR1 und SR2, die bei der ersten Entnahme gemessen wurden. Dies ergibt für den Reaktor SR1 einen TS-Rückhaltegrad, durch den Vergleich mit dem Reaktor SR2 automatisch um Sedimentationseffekte bereinigt, von 26%.
Wie bei den Abscheidevorgängen zu beobachten war, stieg die TS-Konzentration im separierten Ablauf des Reaktors SR1 mit zunehmender Separationsdauer erheblich an. Während zu Beginn des Abscheidungsprozesses eine fast klare Flüssigkeit abgeschiedenen wurde, besaß diese am Ende der jeweiligen Charge eine nahezu identische Trübung wie im Ablauf des Reaktors SR2. Hieraus ist zu folgern, daß in einem optimierten Abscheidungsverfahren, ohne das Überschreiten von Kapazitätsgrenzen, noch erheblich höhere TS- und Flocken-Abscheidegrade zu erreichen sind, als die hier gemessenen durchschnittlichen 26%. Als Orientierung für die Vergärung von Brennereischlempe kann, wie in Versuch 1b ermittelt, ein Maximalwert der TS-Abscheidung im Bereich um 72% gelten.
Mittels der Fermentationsversuche mit den Reaktoren SR1 und SR2 wurde die positive Wirkung der magnetischen Rückhaltung bakterieller Biomasse auf den Prozeß direkt nachgewiesen. So ergab dies eine signifikante Erhöhung der Prozeßleistung und -stabilität.
Zu optimieren ist die magnetische Abscheide-/Rückhaltevorrichtung, hier wird angenommen, daß die seitliche Anordnung auf U-Trägern, wie auch in Versuch 1b verwendet, in den meisten Anwendungsfällen günstiger ist als die eines Fangstabes, wie in Versuchen 1a verwendet. Nach den Versuchsergebnissen kann davon ausgegangen werden, daß ein hoher Abscheidegrad durch eine günstige Kombination aus den beiden Parametern Separationswirkung und Aufnahmekapazität für abgeschiedenen Feststoffe erreicht wird. Insbesondere bei der Aufnahmekapazität scheint die Bügel-Form Vorteile zu besitzen. Durch die höhere Reichweite des magnetischen Feldes und der Abscheidung am äußeren Rohbereich ergibt sich ein größerer potentieller Ablagerungsraum. Um die Aufnahmekapazität als leistungsbegrenzenden Faktor auszuschalten, ist für die praktische Anwendung die Einrichtung einer kontinuierlichen Feststoffabführung aus der Abscheidevorrichtung zu empfehlen. Diesbezüglich sind zahlreiche technische Möglichkeiten bekannt, in Form von Magnetabscheidern, die in der Regel auf einer mechanischen, elektronischen oder hydraulischen Funktionsweise basieren (vgl. 7 und 8).
Aus versuchstechnischen Gründen erfolgte in diesem Fermentations- und Rückhaltungsversuch keine Ersatz für das aus den Reaktoren ausgespülte Ferrit. Zur Aufrechterhaltung einer hohen Leistungsfähigkeit ist jedoch die Etablierung einer regelmäßigen Zugabe magnetischer Partikel zu bevorzugen. Als Bemessungsgrundlage ist es günstig, in regelmäßigen Abständen die magnetische Suszeptibiliät des Fermenterinhaltes zu analysieren.
Die Wahl des optimalen Rückhaltegrades der Bakterienagglomerate im Biogasreaktor kann je nach Anwendungsfall bestimmt werden. Als günstige Strategie kann hierbei das Auffinden und Anwenden eines Regelalgorithmuses gewählt werden, der auf den aktuellen Prozeßparametern beruht. So deuten geringere Abbauraten der Ausgangsstoffe, wie die schwerer umzusetzende Rohfaser, auf eine zu geringe Verweildauer hin, was als Indikator für ein zu großes Volumen an Bakterienagglomeraten im Fermenter genutzt werden kann.
Da die Agglomerate primär die Prozeß-Intermediate, wie die Gärsäuren, zu Biogas abbauen, würde dagegen ein hoher Säuregehalt auf eine zu geringe Konzentration an Agglomeraten hindeuten. Aus mikrobiologischer Sicht erscheint es zweckdienlich eine Doppelstrategie anzuwenden mit einem Grundstocks aus ständig zurückgehaltenen Bakterien-Agglomerate, die sich damit optimal an die Prozeßbedingungen adaptieren können, und der Möglichkeit zur Erhöhung des Rückhaltegrades bei Bedarf. Um eine selektive Rückhaltung des Bakterien-Grundstocks zu ermöglichen und neugebildete Überschuss-Bakterien auszuschleusen, bietet sich die Einrichtung einer Ferritzugabe im rücklaufenden Bakterien-Feststoff an. Durch dieses Verfahren läßt sich der Abstand des Magnetisierungsgrades zu den neuentstehenden Agglomeraten aufweiten oder konstant halten. Eine kurzfristige Erhöhung der Rückhaltungsgrades wäre durch die Aufmagnetisierung im Fermenter oder in einem Behälter vor der Abscheidung möglich sowie durch eine Verringerung der Abscheidungsschwelle. Letzteres könnte z.B. durch einen verringerten Durchsatz oder der Erhöhung der Magnetfeldstärke in der Abscheidevorrichtung realisiert werden.

1: Magnet-Rückhateeinrichtungichtung
2: Rührwerk
3: Reaktorflüssigkeit
4: Zulauf
5: Ablauf
5a, 5b, 5c: Entnahmestellen
6: Gasabführung
7: Feststoffpumpe
8: Entnahmepumpe
9: Zwischenlagerbehälter
10: Rührkesselreaktor
11: Ablauf für abgeschiedene mikrobielle Biomasse
12: nicht durchmischter Reaktor
13: Überstandsflüssigkeit
14: Schlammbett
15: gerades Abscheiderohr
16: Abscheiderohr mit Ausbuchtungen
17: Permanentmagnete
18: Ventile zur Strömungsumkehr
19: Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit
20: abgeschiedene mikrobielle Biomasse
21: Flüssigphase mit Stör- und Reststoffen
22: Ausbuchtungen
23: Haltevorrichtung
24: Drehachse
25: Förderband
26: Elektromagnet
27: Meßsonden
28: Meßkammer
29: Zulauf für Kalibrierflüssigkeit
30: Ablaufweg für eine abgetrennte Flüssigphase
100: Abscheiderohr in einer Anordnung für experimentelle Untersuchungen
101: Zulauf-Schlauch in der Anordnung 100
102: Ablauf-Schlauch in der Anordnung 100
103: Stutzen
104: Vakuumpumpe
105: Auffanggefäß
106: Laborrührer
107: magnetischer Fangstab
108: zu separierende magnetisierte Gärflüssigkeit
109: abgetrennte Flüssigphase in experimentellen Untersuchungen
110: abgeschiedene mikrobielle Biomasse in experimentellen Untersuchungen
111: Plexiglasrohr zur Ummantelung der Anordnung 107
112: Dauermagnete
113: mit Dauermagneten bestücktes U-Rohr

Claims

Verfahren zum Regeln eines Gehaltes an mikrobieller Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren (10; 12) einer Biogasanlage, bei dem die mikrobielle Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) mit magnetischen Partikeln versetzt ist, wobei aus einem Ablauf (5), welcher mit dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) in Verbindung steht, eine ablaufende mikrobielle Biomasse mit Hilfe einer Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung zumindest teilweise abgeschieden wird, und wenigstens ein Teil einer abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse über eine Rückführeinrichtung in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konzentration und/oder ein Gehalt an mikrobieller Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konzentration und/oder ein Gehalt an mikrobieller Biomasse für die abgeschiedene Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Konzentration und/oder des Gehalts an mikrobieller Biomasse eine Konzentrationsmessung für magnetische Partikel in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) oder in der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Konzentration und/oder des Gehalts an mikrobieller Biomasse eine Analyse des in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) erzeugten Biogases ausgewertet wird,
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Analyse des in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) erzeugten Biogases eine Gaszusammensetzung und/oder eine Gaserzeugungsrate ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quantität des wenigstens einen Teils der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse, welcher über die Rückführeinrichtung in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung eingebracht wird, in Abhängigkeit von der Konzentration und/oder dem Gehalt an mikrobieller Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des wenigstens einen Teils der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) mittels Fördern einer Flüssigkeit in dem Ablauf (5) entgegen einer Ablaufrichtung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des wenigstens einen Teils der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) mittels wandernder Magnetfelder ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Teil der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse vor dem Einbringen in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) zwischenbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbehandlung eine Reinigung, eine Zerkleinerung mikrobieller Anglomerate und J oder eine Anreicherung mit magnetischen Partikeln ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschiedene Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse aufkonzentriert wird und der wenigstens eine Teil der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse über die Rückführeinrichtung in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) als Konzentrat eingebracht wird.
Vorrichtung zum Erzeugen von Biogas mit einem oder mehreren Reaktoren (10; 12), in dem/denen eine mikrobielle Biomasse mit magnetischen Partikeln versetzt ist, wobei in einem Ablauf (5), welcher mit dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) in Verbindung steht, eine Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung angeordnet ist, um ablaufende mikrobielle Biomasse, die mit den magnetischen Partikeln versetzt ist, zumindest teilweise abzuscheiden, und wobei der Ablauf (5) über eine Rückführeinrichtung mit dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) verbunden ist, so daß über die Rückführeinrichtung wenigstens ein Teil einer abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung einbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung zum Bestimmen einer Konzentration und/oder eines Gehalts an mikrobieller Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) und/oder für die abgeschiedene Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse.
Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Konzentrationsmeßeinrichtung zum Messen einer Konzentration magnetischer Partikel in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) oder in der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch eine Analyseeinrichtung zum Analysieren des in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) erzeugten Biogases.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyseeinrichtung zum Ermitteln einer Gaszusammensetzung und/oder einer Gaserzeugungsrate des in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) erzeugten Biogases ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung zum Einstellen einer Quantität des wenigstens einen Teils der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse, welcher über die Rückführeinrichtung in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12) zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung einbringbar ist, in Abhängigkeit von der Konzentration und/oder dem Gehalt an mikrobieller Biomasse in dem einen oder allen Reaktoren (10; 12).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch eine Fördereinrichtung zum Fördern einer Flüssigkeit in dem Ablauf (5) entgegen einer Ablaufrichtung beim Einbringen des wenigstens einen Teils der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse in den einen oder alle Reaktoren (10; 12).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet durch eine Magnetfeldeinrichtung zum Erzeugen eines wandernden Magnetfeldes beim Einbringen des wenigstens einen Teils der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse in den einen oder alle Reaktoren (10; 12).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, gekennzeichnet durch eine Zwischenbehandlungseinrichtung zum Behandeln des wenigstens einen Teils der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse vor dem Einbringen in den einen oder alle Reaktoren (10; 12).
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbehandlungseinrichtung ausgeführt ist, um eine Reinigung, eine Zerkleinerung mikrobieller Agglomerate und/oder eine Anreicherung mit magnetischen Partikeln auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, gekennzeichnet durch eine Konzentrationseinrichtung zum Aufkonzentrieren der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung eine Anordnung von Magneten aufweist, die als Permanentmagneten und/oder Elektromagneten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Magnete in Ausbuchtungen (16) entlang des Ablaufes (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Magnete zwischen einer Aktivstellung, in welcher eine magnetische Rückhaltewirkung auf die ablaufende mikrobielle Biomasse in dem Ablauf (5) ausgebildet ist, und einer Passivstellung verlagerbar ist, in welcher die magnetische Rückhaltewirkung nicht ausgebildet ist.