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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Feststofffermenteranlage, mit mindestens zwei diskontinuierlich
und zeitlich zueinander versetzt betreibbaren garagenartigen Feststofffermentern,
wobei die Feststofffermenter von oben nach unten mit einem Perkolat
durchströmt werden
und das abfließende
Perkolat aller Feststofffermentern zusammengeführt und erneut den Feststofffermentern
zugeführt
wird.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren handelt es sich um die anaerobe Fermentation
von Biomasse, einer Alternative zu der bereits verbreitet eingesetzten
Kompostierung. Dabei wird Biomasse in einem anaeroben Milieu von
geeigneten Bakterien unter Bildung von Biogas, insbesondere Methan,
zersetzt, wobei sowohl einstufige als auch zweistufige Verfahren
bekannt sind. Unter zeitlich zueinander versetzt, soll verstanden
werden, dass das Anfahren der einzelnen Batchprozesse nicht zeitgleich
erfolgt.
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Die
Fermenter befinden sich dadurch in verschiedenen Stadien des Vergärprozesses.
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Es
sind in der Landwirtschaft vor allem Flüssigfermenter sowie in der
Abfallwirtschaft entweder Flüssigfermenter
oder Fermenter für
pumpfähig
gemachte Bioabfälle
im Einsatz. Hierbei wird die Biomasse vor der Vergärung zur
Erzeugung eines homogenen, pump- und rührfähigen Substrats aufbereitet,
wobei der mit der Aufbereitung verbundene hohe Aufwand nachteilig
zu beurteilen ist. Darüber
hinaus sind derartige Verfahren der Nassfermentation vergleichsweise
störanfällig insbesondere
im Hinblick auf Fremdstoffe. Daher ist in letzter Zeit zunehmend die
Trocken- oder Feststofffermentation in das Interesse gerückt. Diese
ist insbesondere bei landwirtschaftlichen Betrieben ohne Viehhaltung,
die nachwachsende Rohstoffe vergären
wollen, von Interesse. Hierbei werden vielfach sogenannte "berieselte Boxenfermenter" eingesetzt, wie
sie beispielsweise in der
EP
1 428 868 A1 beschrieben sind, bei denen eine Fermenterzelle
in Form eines Boxenfermenters von unten nach oben mit Gas durchströmt wird,
um die Vergärung
zu fördern.
Problematisch ist hierbei die unsichere Betriebsweise, da eine Verstopfungsgefahr
der Gasdüsen
besteht.
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Des
Weiteren ist beispielsweise aus der
EP 1 301 583 B1 ein Bioreaktor zur Methanisierung
von Biomasse und eine Biogasanlage bekannt, die ebenfalls auf dem
Prinzip des Boxenfermenters beruht, wobei hierbei im Boden eine Heizeinrichtung
eingebracht ist, um den Fermenter auf die notwendige für die Mikroorganismen
erforderliche Temperatur aufzuheizen. Dabei offenbart die Druckschrift
bereits das Perkolat einer Perkolataufbereitung zuzuführen, wobei
Messwerte erfasst werden können
und in einer Zumischeinrichtung Zusatzstoffe beigefügt werden können. Nachteilig
ist dabei, dass aufgrund des schlechten Wärmeübergangs eine vollständige Durchheizung
des Biomaterials nur unbefriedigend bzw. mit hohen Verlusten möglich ist.
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Unter
Boxenfermentern werden hierbei garagenartige Boxen verstanden, die
mit Biomasse befüllt und
mit Prozesswasser, dem sogenannten "Perkolat", berieselt werden. Das Perkolat wird
am Fuß der Boxen
erfasst, im Kreis geführt
und wieder verrieselt.
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Zum
Starten der Fermentation in einem neu anzusetzenden Fermenter wird
diesem zum Teil ein sogenannter Gärrest aus bereits angefaultem
Material als Starterkultur zugesetzt und weiterhin frisches Material
eingefüllt.
Der Anteil des Gärrestes
liegt bezogen auf das Gewicht in der Regel über dem Anteil an frischem
Material, insbesondere zwischen 30% und 50%, teilweise sogar bei über 80%.
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Nachteilig
ist hierbei, dass aufgrund des hohen Anteils an Gärrest die
Fermenter entsprechend groß dimensioniert
werden müssen,
um für
die Gasgewinnung einen ausreichenden Anteil frischer Biomasse zu
umfassen. Als zu vergärende
Biomasse kommt insbesondere Biomüll,
aber auch Maissilage sowie sämtliche
anderen nachwachsenden Rohstoffe, etc. in Frage. Dabei muss der
Gärrest
umso größer sein,
je energiehaltiger die einzubringende Biomasse ist.
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Die
Vermischung von Gärrest
und frischem Material vor dem Einbringen in den Fermenter stellt einen
zusätzlichen
Arbeitsschritt dar, der darüber
hinaus aus Sicht des Emissionsschutzes bei Mischen des Gärrests mit
dem Biomüll
im Freien kritisch zu beurteilen ist.
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Des
weiteren ist aus der
DE
44 09 487 C2 ein Verfahren und eine Anlage zur Vergärung von
biogen-organischen Rohabfällen
bekannt, wobei hier zwei Bioreaktoren vorgesehen sind, das Perkolat, das
an einem Bioreaktor abgezogen wird, in einen Sickerwassersammelbehälter gesammelt
und dann in einer Kreuzführung über einen
in einem anderen zeitlichen Fenster befindlichen Bioreaktor wieder
verrieselt wird.
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Die
DE 201 21 701 U1 offenbart
eine Vorrichtung zum Abbau organischer Substanzen, wobei hier ein
sogenanntes Flüssigverfahren
beschrieben ist, bei dem die organischen Substanzen im Reaktor schwimmend
von der Zuführöffnung bis
zu einer entfernt davon angeordneten im wesentlichen auf demselben
horizontalen Niveau befindlichen Entnahmeöffnung transportiert werden.
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Schließlich beschreibt
die US 2002/0102673 A1 ein methanerzeugendes Verfahren, durch ein zweiphasiges
anaerobes System, wobei Feststofffermenter zur Hydrolyse eingesetzt
werden und so Nährstoffe
für eine
Methanerzeugung in einem Flüssigfermenter
liefern.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
hierzu bereitzustellen, mit dem bei gleichem Anlagenvolumen mit
garagenartigen Feststofffermentern größere Mengen an Biomasse vergoren
werden können,
wobei auf der anderen Seite eine gute Methanbildung eingestellt
werden kann.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und
8.
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Ein
entsprechendes Verfahren besitzt den Vorteil, dass durch die Ausschwemmung
der Säuren aus
der Biomasse erreicht wird, dass ein Feststofffermenter insbesondere
in der Anfahrphase nicht in die saure Phase übergeht. So erfolgt beim Abbau
von Biomasse zunächst
eine Glykolyse, wobei durch die an der Methanbildung beteiligten
Mikroorganismen zumindest teilweise organische Säuren gebildet werden. Diese
Säurebildung
ist kritisch zu betrachten. Unter den Startbedingungen im Feststofffermenter
ist z. B. die bakterielle Verdoppelungszeit für Propionsäurebildner erheblich kürzer als
für Essigsäurebildner
und für
acetoclastische, also Essigsäure
abbauende Methanbildner. Während
Essigsäure
als die beste methanogene Substanz angesehen wird, hemmt Propionsäure in höherer Konzentration
die Essigsäurebildung
und die Essigsäureverwertung. Darüber hinaus
wirkt die ebenfalls entstehende Milchsäure bakterizid, so dass hierdurch
die weitere Vermehrung von Mikroorganismen und damit die Essigsäure- und
Methanbildung weiter gehemmt wird. Dies stellt eine kritische Phase
zu Beginn der Fermentation dar. Es ist daher vorteilhaft, wenn der
Perkolatstrom so eingestellt wird, dass organische Säuren, insbesondere
Propion- und Milchsäure,
mit dem Perkolat ausgeschwemmt wird. Der Perkolatstrom ist daher
so einzustellen, dass die Säuren
insbesondere im Anfangsstadion der Fermentation ausgeschwemmt werden,
da durch den entstehenden niedrigen pH eine Milchsäurebildung
weiter gefördert wird.
Es müssen
daher die Säuren
in einem solchen Maße
ausgeschwemmt werden, dass eine Hemmung der Fermentation und der
Organismenvermehrung nicht eintritt. Auf diese Weise können verstärkt Essigsäure bildende
Mikroorganismen sowie Essigsäure
abbauende Mikroorganismen im Feststofffermenter gebildet werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei einer starken Säurebeladung
des Perkolats das Perkolat verstärkt
oder ausschließlich
auf solche Feststofffermenter verteilt wird, die bereits länger im
Fermentationsprozess befindlich sind und so die entstehenden Säuren aufgrund
ihrer bereits höheren
Mikroorganismenbeladung verarbeiten können. Das Perkolat dient dabei
als Energie- und/oder Nährstoffeintrag
in einen solchen Feststofffermenter. Auf diese Weise kann das Perkolat
bei zu starker Säurebeladung
durch einen frisch angesetzten Feststofffermenter durch den mindestens
einen weiteren, bereits länger
laufenden Feststofffermenter aufbereitet, also die Säuren abgebaut
werden.
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Darüber hinaus
wird mit dem Perkolat, insbesondere mit der Perkolation durch den
mindestens einen bereits länger
laufenden Feststofffermenter, eine Vielzahl von Mikroorganismen
mit ausgeschwemmt, die mit dem Perkolat in einen frisch anzusetzenden Feststofffermenter
eingetragen werden und hier als Starterkultur dienen. Die Verwendung
eines Gärrests kann
so in vielen Fällen
vollständig
vermieden werden. In jedem Fall kann jedoch die erforderliche Rückmischung
von Gärrest
deutlich unter dem im Stand der Technik einzusetzenden Gärrest gehalten werden.
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Dabei
ist ein Perkolatbehälter
vorgesehen, der als Perkolatzwischenspeicher und Regenerationsfermenter
dient, und der als zusätzlicher
insbesondere kontinuierlicher Fermenter betrieben wird, der ebenfalls
zur Erzeugung von Biogas beiträgt.
Dabei können
die im Perkolat enthaltenen Mikroorganismen die ebenfalls im Perkolat
enthaltenen Säuren
zu Biogas umsetzen, so dass auch der Perkolatbehälter zur Biogasgewinnung und
zum Säureabbau
beiträgt.
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Das
durch die verschiedenen Fermenter erzeugte Biogas kann dabei in
einzelnen oder einem gemeinsamen Biogasreservoir aufgefangen werden, aus
dem Biogas zur weiteren Verwertung entnommen werden kann und der
Energiegewinnung dient.
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Zusätzlich zum
Perkolatbehälter
kann auch ein weiterer Fermenter, der mit Feststoff befüllt ist, ebenfalls
als Regenerationsfermenter betrieben werden. Der Fermenter wird
dabei im Gegensatz zu den übrigen
Feststofffermentern nicht im Batchbetrieb, sondern kontinuierlich
betrieben. Als Füllgut
kommen dabei alle sich als Siedlungsstruktur für die Organismen eignenden
Materialien in Frage, die langfristig stabil und flüssigkeitsdurchlässig sind,
wie z. B. Holzstrukturen, z. B. Hackschnitzel, Kunststofffüllkörper, Blähton, etc.
Dieser Fermenter dient dabei zur Verringerung des Säuregehalts
im Perkolat und ebenfalls zur Methanerzeugung.
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Des
Weiteren kann es besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass der
Perkolatbehälter
und/oder das Perkolatleitungssystem beheizt wird. Durch den vorgesehenen
verhältnismäßig großen Perkolatstrom,
der durch die Biomasse sickert, kann erreicht werden, dass auf diese
Weise die Biomasse über
das Perkolat beheizt wird. Dabei arbeiten die der Methanisierung
dienenden Mikroorganismen vorzugsweise bei einer Temperatur von > 30° C. Eine Beheizung der Flüssigkeit
im Perkolatbehälter
oder in den Leitungen lässt
sich dabei erheblich effizienter gestalten als die Beheizung der
Biomasse selbst und eine bessere Durchheizung kann erzielt werden,
da der Wärmeübergang
im Perkolat gegenüber
dem der Biomasse erheblich besser ist. Durch die möglichst gleichmäßige Verteilung
des Perkolats über
die gesamte Biomasse wird darüber
hinaus eine gleichmäßige Erwärmung der
Biomasse erreicht.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass neben der Verwendung des Perkolats als Starterkultur
als zusätzliche
Starterkultur ein Gärrest
im Bereich von 0 bis 30 Gew.-%, insbesondere von 0 bis 20 Gew.-%,
insbesondere von 0 bis 10 Gew.-% und vorzugsweise von 0 Gew.-% bezogen
auf das Gesamtgewicht der Biomasse in einem der Feststofffermenter
zugesetzt wird.
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Das
Verfahren kann grundsätzlich
bis zu einem minimalen pH-Wert
im abgezogenen Perkolat des neu angesetzten Feststofffermenters
bis ca. 2,5 gefahren werden.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung eine Feststofffermenteranlage, insbesondere
zur Durchführung
des Verfahrens umfassend mindestens zwei Feststofffermenter, die über Perkolatzu-
und -ableitungen mit einem als kontinuierlicher Regenerationsfermenter
arbeitenden Perkolatbehälter
verbunden sind und mit mindestens einer Auffangeinrichtung für das aus
allen Fermentern entnommene Biogas. Der Regenerationsfermenter dient
ebenfalls als Fermenter zur Erzeugung von Biogas.
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Insbesondere
kann die Anlage drei oder vier Feststofffermenter oder ein Vielfaches
davon, die im Batchbetrieb betrieben werden, umfassen, wobei die bevorzugte
Anzahl u. a. von der Dauer der Fermentation abhängt. So kann insbesondere vorgesehen sein,
dass zur vollständigen
Fermentation der Biomasse in einem Feststofffermenter im Batchverfahren
ca. 4 Wochen benötigt
werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, vier Feststofffermenter
oder ein Vielfaches hiervon einzusetzen, wobei jede Woche einer oder
mehrere der Feststofffermenter neu angesetzt werden. Bei anderen
Zeiträumen,
die zur vollständigen
Umsetzung der Biomasse benötigt
werden, können
andere Fermenterzahlen eingesetzt werden. Als Feststofffermenter
werden hierbei Boxenfermenter eingesetzt, wobei eine Heizvorrichtung
am Perkolatbehälter
und/oder am Rohrleitungssystem vorgesehen sein kann. Insbesondere
weist die Feststofffermenteranlage einen Biogassammelbehälter auf, über den
das Biogas dann zur weiteren Verarbeitung abgegeben wird.
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Grundsätzlich kann
kontinuierlich oder zu bestimmten Zeitpunkten eine Gasmessung und/oder -analyse
an verschiedenen Stellen der Anlage vorgenommen werden, auf die
jedoch auch verzichtet werden kann.
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Die
Umpumpung und Verteilung des Perkolats kann mittels einer oder mehrerer
Pumpen und/oder auch über
Ventile und/oder im freien Gefälle erfolgen.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei
zeigt die Zeichnung in der einzigen Figur eine Feststofffermenteranlage,
die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 versehen
ist. Die Feststofffermenteranlage 10 umfasst hierbei drei
Feststofffermenter, die mit 12a bis 12c bezeichnet
sind. Die Feststofffermenter, die eine garagenartige Form aufweisen
können
und von vorne ähnlich
wie eine Autogarage mit Biomasse befüllt werden können, sind
mit Biomasse, die jeweils 14a bis 14c gekennzeichnet ist,
beladen.
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Des
Weiteren umfasst die Feststofffermenteranlage 10 einen
Perkolatbehälter 16,
in dem Perkolationswasser 18 zwischengespeichert wird,
das zur Verdüsung
in den Fermentationsbehältern 12a bis 12c verwendet
wird, wobei das Perkolat 18 am Fuße der Feststofffermenter 12a bis 12c aufgefangen
und in den Perkolatbehälter 16 zurückgeführt wird.
Die Perkolatverteilung ist hierbei durch eine Leitung 20 gekennzeichnet, über die
Perkolat 18 aus dem Perkolatbehälter 16 entnommen
wird und sich diese Leitung in drei Einzelleitungen 22a, 22b und 22c aufteilt,
die jeweils einem Feststofffermenter 12a bis 12c zugeordnet
sind. Mittels Pumpen 24 wird hierbei das Perkolat zu Verteileinrichtungen 26a bis 26c gefördert und
möglichst
gleichmäßig über die Oberflächen 28a-28c der
einzelnen Fermenter und der darin angeordneten Biomasse 14a bis 14c verteilt,
um einen möglichst
gleichmäßigen Kontakt
der Biomasse 14a bis 14c mit dem Perkolat 18 sicherzustellen
und eine gute Durchfeuchtung zu erreichen.
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Am
Boden der Fermentationsbehälter 12a bis 12c wird
das Perkolat 18 dann über
Leitungen 30a bis 30c wieder abgezogen. Die Leitungen 30 werden
zusammengeführt
und münden
wieder in den Perkolatbehälter 16.
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Zur
weiteren Überwachung
der Fermentation werden sowohl die Gasmenge über Gaszähler 32 gemessen als
auch eine Gasanalyse, die mit 34 gekennzeichnet ist, erstellt.
Darüber
hinaus wird sowohl im Perkolatbehälter 16 als auch in
den Perkolatabläufen 30a bis 30c der
pH-Wert sowie die Temperatur durch Einrichtungen 36 und 38 bestimmt.
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Bei
Fermentationsanlagen 10 mit mehreren Feststofffermentern 12a bis 12c erfolgt
eine Beladung der Fermenter mit frischer Biomasse nicht zeitgleich,
sondern zeitlich zueinander versetzt, beispielsweise derart, dass
jede Woche ein Fermenter 12a bis 12c angesetzt
wird, wobei im vorliegenden Fall es besonders vorteilhaft sein kann,
wenn die vollständige
Fermentation drei Wochen dauert, so dass stets ein Feststofffermenter
sich in der ersten Woche, ein Feststofffermenter sich in der zweiten
Woche und ein Feststofffermenter sich in der dritten und letzten Woche
befindet. Wird ein Feststofffermenter neu angesetzt, d. h. neu mit
Biomasse befüllt,
so muss zum Starten der Vergärung
eine Starterkultur hinzugegeben werden bzw. der Feststofffermenter
angeimpft werden. Im vorliegenden Fall soll davon ausgegangen werden,
dass der Feststofffermenter 12a neu mit Biomasse 14a befüllt ist.
Die beiden anderen Feststofffermenter 12b und 12c befinden
sich in den Wochen zwei und drei, d. h. im Bereich der stabil verlaufenden
Vergärung.
In beiden Feststofffermentern 12b und 12c sind
bereits Mikroorganismen in solcher Anzahl vorhanden, dass eine stabile
Vergärung
und Methanproduktion erfolgt. Über
die Verdüsung
von Perkolat 18 in den Feststofffermentern 12b und 12c und den
Wiederabzug von Perkolat 18 am Boden der Feststofffermenter 12b und 12c werden
Mikroorganismen mit dem Perkolat 18 ausgespült. Wird
nun das Perkolat mit den Mikroorganismen über die Leitung 22a dem
neu angesetzten Feststofffermenter 12a zugeführt, so
dienen diese Mikroorganismen zum Start der Vergärung im Feststofffermenter 12a. Eine
Zugabe von Gärrest,
d. h. einem Rest von bereits vergorener organismenreicher Biomasse
vor Neuansetzen einer Fermentation im Fermenter 12a zum
Starten der Fermentation ist auf diese Weise nicht notwendig.
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Beginnt
nun die Fermentation im Feststofffermenter 12a, so beginnen
zunächst
die Säure
bildenden Organismen Säure
zu produzieren. Wie bereits ausgeführt, besitzen die Säure bildenden
Mikroorganismen eine erheblich kürzere
Reproduktionsphase als die Säure
abbauenden Mikroorganismen, die Methangas bilden. Diese benötigen hiergegen
erheblich länger.
Um einer Versäuerung
des Feststofffermenters 12a vorzubeugen, wird der Perkolatstrom über die
Verteileinrichtung 26a so eingestellt, dass mittels des
Perkolats 18, das durch die Biomasse 14a im Feststofffermenter 12a hindurchsickert,
die Säuren
mit ausgetragen und im Perkolatbehälter 16 mit den Perkolatströmen aus
den Feststofffermentern 12b und 12c vermischt
werden. Auf diese Weise kann die Konzentration an Säure deutlich
erniedrigt werden und die Vermehrung der benötigten Organismen wird nicht
durch die Versäuerung
gehemmt. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass zum Animpfen des
neu angesetzten Feststofffermenters 12a kein Gärrest mehr
notwendig ist, wobei es bei der Vormischung von neuer Biomasse und
Gärrest
insbesondere bei einer Anmischung im Freien zu einer starken Emissionsbelastung
kommen kann.
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Insbesondere
wenn das Perkolat im Perkolatbehälter 16 hinsichtlich
des pH-Werts zu sauer zu werden droht, kann vorgesehen sein, dass
das Perkolat über
einen begrenzten Zeitraum ausschließlich oder hauptsächlich den
Feststofffermentern 12b und 12c, die bereits länger laufen,
zugeführt
wird, da hier bereits eine stabile Mikroorganismenpopulation existiert,
die derartiges Perkolat umsetzen und die darin enthaltenen Nährstoffe
zu Methangas verarbeiten kann. Auf diese Weise kann eine erheblich
verbesserte Regelung der Fermentation und damit auch der Methangasproduktion
erreicht werden.
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Schließlich wurde
erfindungsgemäß festgestellt,
dass auch der Perkolatbehälter 16 als
Fermenter wirkt, so dass auch hier über eine Gasentnahmeleitung 40 ein
Methangasstrom entnommen werden kann, der über eine Gasuhr 32 sowie
eine Gasanalyseeinrichtung 34 bestimmt wird. Auf diese
Weise kann neben den bereits bestehenden Feststofffermentern 12a bis 12c auch über den
Perkolattank 16 noch weiteres Methangas erzeugt werden.
Der Perkolattank 16 dient darüber hinaus auch dem Säureabbau
und damit der Regeneration des Perkolats.
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Als
Gasmessgeräte
werden insbesondere solche für
Methan, aber auch CO2 und Sauerstoff eingesetzt.
Es ist hierbei vorteilhaft, wenn die Werte entweder kontinuierlich
oder in bestimmten Intervallen z. B. 24-stündlich abgelesen werden.
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Darüber hinaus
besitzt eine intensive Perkolation noch einen weiteren Vorteil.
So lässt
sich das Perkolat im Behälter 16 erheblich
leichter aufheizen als der Biomüll 14a bis 14c in
den Feststofffermentern 12a bis 12c, da organische
Substanzen lediglich einen schlechten Wärmeübergang besitzen. Auf diese
Weise kann sowohl auf eine Fußbodenheizung
als auch auf eine Vorrotte, die bisher vorgesehen ist, um die Temperatur
in der Biomasse 14a bis 14c so anzuheizen, dass über den
Fermentationsprozess eine ausreichende Temperatur gehalten wird,
verzichtet werden. Vielmehr kann die Flüssigkeit 18 im Behälter 16 auf
die erwünschte
Temperatur eingestellt werden und durch die starke Perkolation in
den einzelnen Feststofffermentern 12a-12c wird
diese Wärme gleichmäßig über das
gesamte Volumen in die Feststofffermenter 12a-12c eingetragen.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das Vermeiden des Zusatzes
von Gärrest
zum einen die Fermentervolumen verkleinert werden können, was
in geringeren Investitionen resultiert und auf der anderen Seite
Verweilzeiten bzw. der Durchsatz erhöht werden können, wodurch sich der Gasertrag
erhöht.
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Die
vorliegende Erfindung bietet daher ein gut zu steuerndes Feststofffermentationsverfahren bzw.
eine entsprechende Vorrichtung hierzu, die auch auf dem landwirtschaftlichen
Sektor einfach und sicher zu handhaben ist und darüber hinaus
einen guten Gasertrag ermöglicht
und den Emissionsgesichtspunkten Rechnung trägt.