DE102005030895A1

DE102005030895A1 - Aufschluss biologischen Materials mittels Schallenergie

Info

Publication number: DE102005030895A1
Application number: DE102005030895A
Authority: DE
Inventors: Arnold Grimm; Hans Hemschemeier
Original assignee: Hemschemeier Hans Dipl-Ing
Current assignee: Hemschemeier Hans Dipl-Ing
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Vorrichtung für den Aufschluss von in Dispersion enthaltenem biologischen Material, die Vorrichtung umfassend: DOLLAR A a) ein Gefäß (13) zur Durchleitung oder Aufnahme der Dispersion DOLLAR A b) und eine Gruppe diskreter Schallerzeuger (11), die für einen Aufschluss des biologischen Materials einander positiv überlagernd in einen gemeinsamen Zentralbereich (Z¶1¶) abstrahlend angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft den Aufschluss von in einer Dispersion enthaltenem biologischen Material mittels Schallenergie, vorzugsweise mittels Ultraschall. Bei der Dispersion kann es sich insbesondere um Gülle, Klärschlamm, in Dispersion befindlichem Grünschnitt, Silage oder Schlachtabfall oder einem Gemisch von zwei oder mehreren dieser Stoffe handeln. Die Erfindung wird bevorzugt für die Erzeugung von Biogas eingesetzt, kann aber auch vorteilhaft in der Klärung von Abwässern ohne nachgeschaltete Biogaserzeugung oder generell zur Zerkleinerung biologischen Materials verwendet werden.
Dass in Dispersionen enthaltenes biologisches Material mittels Ultraschall bis gegebenenfalls auf subzelluläre Größe zerkleinert werden kann, ist seit längerem bekannt. Mittels Ultraschall wird im Flüssiganteil der betreffenden Dispersion Kavitation erzeugt. Durch die Kavitationsbläschen zerreißen die mit dem Flüssiganteil vermischten biologischen Feststoffstrukturen. Das derart zerkleinerte biologische Material ist abbauenden Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, leichter zugänglich als das Ausgangsmaterial, so dass eine Fermentation rascher und vollständiger von statten gehen kann. Gegebenenfalls kann die Schallenergie auch nur zur Abtötung von Mikroorganismen verwendet werden, beispielsweise in der Klärung von Abwässern, oder nur zu dem Zweck, die Fließflähigkeit einer Dispersion zu erhöhen, d.h. deren Viskosität zu verringern.

Der Einsatz von Ultraschall in der Klärung von Abwässern ist beispielsweise aus der DE 198 43 862 A1 bekannt. Ultraschallenergie wird mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Ultraschallerzeugern in die betreffende Dispersion eingetragen. Je nach Bedarf wird entweder durch Eintrag einer vergleichsweise geringen Energie den Mikroorganismen Nährstoff entzogen und dadurch ihre Vermehrung unterbunden, oder es wird zur Zerstörung von Mikroorganismen eine größere Energie eingetragen. Beschrieben werden Energieeinträge zwischen 0,1 bis 80 kWs/l. Verwendet werden Ultraschallerzeuger mit einer Leistungsaufnahme von in einem Fall 400 Watt und einer Ultraschallfrequenz von 24 kHz und in einem anderen Fall von 1000 Watt und 20 kHz, einmal im Batchbetrieb und einmal im Durchflussbetrieb.

Die EP 0 808 803 B1 beschreibt ebenfalls für die Behandlung von Klärschlamm in einer Kläranlage oder Abwasserreinigungsanlage den Einsatz von Ultraschall. Offenbart wird eine spezielle Anordnung eines stabförmigen Ultraschallerzeugers in einem Behandlungsgefäß. Der Schlamm wird den Ultraschallerzeuger umgebend aufsteigend gefördert. Der Ultraschallerzeuger ist in dem Behandlungsgefäß außermittig angeordnet, so dass er Ultraschallwellen im Behandlungsgefäß asymmetrisch abstrahlt und die abgegebene Energie von der Wand des Behandlungsgefäßes reflektiert wird. Die asymmetrische Anordnung soll verhindern, dass die abgestrahlten und die reflektierten Wellen sich gegenseitig auslöschen. Erforderlich ist jedoch eine sehr genaue Positionierung und Ausrichtung des Ultraschallerzeugers im Behälter und eine feine Abstimmung zwischen dem Ultraschallerzeuger und der umgebenden Gefäßwand. Der Eintrag der zur Zerstörung zellulärer Strukturen erforderlichen Energie erfordert einen Ultraschallerzeuger mit hoher Leistung.

Eine mit mehreren Ultraschallerzeugern arbeitende Vorrichtung zur Zerkleinerung organischen Materials ist aus der US 4,013,552 bekannt. Die Schallerzeuger sind als elektroakustische Hörner gebildet, durch die hindurch die zu behandelnde Dispersion in ein Gefäß eingeleitet und dort weiter behandelt wird. Die elektroakustischen Hörner bilden gleichzeitig Düsen zum Einspritzen der zuvor mit Ultraschall beaufschlagten Dispersion. Die Vorrichtung erlaubt nur geringe Durchsatzraten.

Die DE 195 17 381 C1 offenbart die Zerstörung zellulärer Strukturen in Schlämmen biologischer Kläranlagen mittels mehreren stabförmigen Ultraschallerzeugern, die in einem von dem Schlamm von unten nach oben durchströmten Gefäß angeordnet sind. Die Schallerzeuger ragen von einer gemeinsamen Tragplatte gegen die Strömungsrichtung in das Gefäß und werden von dem Schlamm umgeben. Das Gefäß ist an seinem oberen Ende offen, so dass ein Überlauf für den behandelten Schlamm erhalten wird. Die stabförmigen Schallerzeuger sind in einem zur Strömungsrichtung des Schlamms senkrechten Querschnitt gesehen in parallelen Reihen angeordnet, wobei die einander jeweils nächst benachbarten Reihen zueinander versetzt sind. Die Schallerzeuger sind so abgestimmt, dass sie mit geringfügig voneinander abweichenden Frequenzen arbeiten, um ein diffuses Schall- bzw. Kavitationsfeld zu erzeugen. Auch bei dieser Ausführung dient die Gefäßwand als Reflektor mit den vorstehend geschilderten Nachteilen. Die über den gesamten Strömungsquerschnitt gleichmäßige, dichte Anordnung der Schallerzeuger birgt zumindest bei Dispersionen mit größeren Feststoffagglomeraten die Gefahr einer Verstopfung oder erfordert zusätzliche Maßnahmen zur Freihaltung des Strömungsquerschnitts des Gefäßes. Desweiteren dürften die Schallerzeuger auf geringe Leistungen beschränkt sein, um eine gegenseitige Zerstörung zu vermeiden. Die DE 195 17 381 C1 beschreibt ferner eine alternative Ausführung, in der das vom Schlamm durchströmte Gefäß durch einen Behälter geführt wird, in dem eine das Gefäß umgebende Koppelflüssigkeit aufgenommen ist, in der mehrere Ultraschallerzeuger um das Gefäß verteilt und davon beabstandet angeordnet sind. Die Koppelflüssigkeit muss zur Vermeidung von Kavitation unter einem Überdruck gehalten werden. Die gesamte Gefäßwand bildet einen einzigen Schwinger, dessen Schwingungen in den Schlamm eingetragen werden.

Die DE 44 44 005 A1 schlägt die Verwendung eines sogenannten Flextensional-Wandlers zur Behandlung von Klärschlamm und auch Gülle vor. Der Wandler weist eine elliptische, zylindrische Hülle auf, die von zwei oppositionell gelagerten Schwingern angeregt wird. Der Klärschlamm wird durch die Hülle geleitet. Die erregende Schwingungskraft der Schwinger wird von außen an die Hülle angelegt, und die Hülle strahlt die Schwingungen als Schall ins Innere ab. Die Abstimmung des aus der Hülle und den Schwingern gebildeten Schallerzeugers auf das zu behandelnde Medium dürfte schwierig sein.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, in Dispersion enthaltenes biologisches Material intensiv zu zerkleinern. Eine hierfür geschaffene Vorrichtung soll einfach aufgebaut sein, energieeffizient arbeiten und einen störungsfreien Langzeitbetrieb ermöglichen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Zerkleinerung von in Dispersion enthaltenem biologischen Material umfasst ein Gefäß zur Durchleitung oder Aufnahme der Dispersion und eine Gruppe diskreter Schallerzeuger, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie bei Durchleitung oder ruhender Aufnahme der Dispersion Schallenergie in einen gemeinsamen Zentralbereich abstrahlen und die in der Dispersion erzeugten Schallwellen einander positiv überlagern, d.h. verstärken. Die Schallerzeuger sind so aufeinander abgestimmt und werden je mit solch einer Frequenz betrieben, dass die Schallwellen einander zumindest überwiegend positiv überlagern, so dass in der Summe ein Verstärkungseffekt gegenüber den einzelnen Schallerzeugern erzielt wird. Die Schallerzeuger schwingen vorzugsweise mit der gleichen Frequenz. In bevorzugten Ausführungen überlagern die erzeugten Schallwellen einander ausschließlich positiv. Die Kavitationsleistung wird durch die positive Überlagerung erheblich gesteigert und das biologische Material intensiver zerkleinert. Ein Ausweichen der Feststoffstrukturen in die freie Flüssigkeit der behandelten Dispersion wird weitestgehend verhindert. Im Falle der bevorzugt nachgeschalteten Biogaserzeugung wird die Ausbeute an Biogas gegenüber den bekannten Verfahren bei geringerem Einsatz an Material und Energie vergrößert. Die Verweilzeit in einem nachgeordneten Fermenter kann erheblich verkürzt werden.

Die Schallerzeuger strahlen die Schallenergie vorzugsweise direkt in die Dispersion, d.h. die diskreten, mechanisch schwingenden Elemente der Schallerzeuger stehen mit der Dispersion unmittelbar in Kontakt. Obgleich weniger bevorzugt, soll jedoch ein Energieeintrag über eine Koppelflüssigkeit oder ein anderes Koppelmedium nicht von vornherein ausgeschlossen werden.

Eine weitere Möglichkeit eröffnet die Erfindung in dem Aufschließen der Zellen von Grünschnitt, Silagen und Schlachtabfällen. Setzt man kleingehexelten Grünschnitt oder Silagen in Verbindung mit beispielsweise Gülle der Kavitation aus, werden je nach Dauer der Beschallung die Zellstrukturen nahezu gänzlich aufgeschlossen, was vorteilhaft insbesondere für die bevorzugte Nachschaltung einer Biogaserzeugung ist. Erfahrungsgemäß bringt eine Tonne Grünschnitt oder Silage nach herkömmlichen Verfahren im Fermenter eine zehnfach höhere Biogasausbeute als eine Tonne Gülle (ca. 1 m³). Mittels der Erfindung kann die Biogasausbeute nochmals erhöht werden. Die Zugabemenge an Grünschnitt, Silage oder Schlachtabfällen wird allenfalls durch die damit verbundene Viskositätserhöhung der Dispersion begrenzt.

Durch die Erfindung kann ferner das Einsatzspektrum anaerob abbauender Mikroorganismen ausgedehnt werden. So kann die Dispersion vorteilhafterweise auch ligninhaltiges Material, wie insbesondere Holzmaterial, d.h. Holzspäne, Rinde und dergleichen, oder auch langgewachsene, alte Gräser enthalten, die den beispielsweise für die Fermentation von Gülle geeigneten Mikroorganismen schädlich sind. Das Lignin muss nicht durch kostspielige Zusatzmaßnahme, beispielsweise die Beigabe von Enzymen, abgebaut werden.

Die Schallerzeuger der Gruppe sind um eine sich durch den Zentralbereich erstreckende Achse angeordnet. In bevorzugten Ausführungen sind sie an einer Wand des Gefäßes angeordnet. In solch einer Anordnung können sie insbesondere in der Wand integriert sein, indem pro Schallerzeuger dessen mechanisch schwingendes Element einen Teil der Wandfläche bildet. Ebenso ist es auch möglich, dass die Schallerzeuger von der Wand ein Stück weit in das Gefäß vorragen. Durch die Anordnung und Abstützung der Schallerzeuger an der die Achse umgebenden Gefäßwand bleibt die mit Schall zu beaufschlagende, durch das Gefäß strömende oder darin ruhende Dispersion zumindest im wesentlichen frei von Behinderungen. Vorteilhafterweise ragen in das Gefäß keine selbst nicht schallabstrahlenden Teile der Schallerzeuger, sondern nur deren Schwingelemente. Durch die Anordnung an der Wand wird die Reflektion der Schallwellen durch die Wand gering gehalten und somit der Gefahr der Ausbildung von stehenden Wellen entgegengewirkt. Die Schallerzeuger strahlen Schallenergie vorteilhafterweise nur in eine Richtung, die von dem Wandbereich weg weist, in oder an dem der jeweilige Schallerzeuger angeordnet ist. Die Schallerzeuger strahlen die Schallenergie vorzugsweise rechtwinklig zur Achse ab, d.h. in einer gemeinsamen Querschnittsebene.

Bevorzugten Ausführungen entspricht es, wenn die Schallerzeuger der Gruppe um eine sich durch den Zentralbereich erstreckende Achse angeordnet sind, und jeder der Schallerzeuger zu jedem anderen der Schallerzeuger in Umfangsrichtung einen Winkelabstand hat, der ungleich 180° ist. Wäre ein Paar der Schallerzeuger oder wären gegebenenfalls mehrere Paare auf einer bzw. je einer Radialen zu der Achse angeordnet und würden die betreffenden Schallerzeuger ihre Schallenergie zu einem bedeutenden Teil in Richtung auf den jeweils gegenüberliegenden Schallerzeuger abstrahlen, bestünde die Gefahr der gegenseitigen Beschädigung, oder es wäre die Schallleistung auf ein zur Vermeidung der gegenseitigen Beschädigung zulässiges Höchstmaß beschränkt. Hierdurch wäre die Intensität der Kavitation und Zerkleinerung des biologischen Materials entsprechend beschränkt.

Die Gruppe umfasst in bevorzugten Ausführungen wenigstens drei Schallerzeuger. Als besonders vorteilhaft hat sich für die Gruppe eine Anordnung von genau fünf Schallerzeugern erwiesen, die um den gemeinsamen Zentralbereich angeordnet sind. Die Schallerzeuger sollten so angeordnet sein und so abstrahlen, dass ein größerer Teil der von den einzelnen Schallerzeugern abgestrahlten Schallenergie, vorzugsweise der überwiegende Teil, in eine Lücke gerichtet ist, die auf der anderen Seite der Achse gegenüberliegend zwischen dort einander in Umfangsrichtung nächst benachbarten Schallerzeugern der Gruppe gebildet ist. Besonders bevorzugt sind die in einer gemeinsamen Querschnittsebene abstrahlenden Schallerzeuger um die Achse gleichmäßig verteilt angeordnet, d.h. sie weisen zum jeweils nächst benachbarten je den gleichen Winkelabstand auf.

Um die Kavitationswirkung noch weiter zu steigern, ist es vorteilhaft, wenn über die Schallerzeuger der Gruppe hinaus wenigstens noch ein weiterer Schallerzeuger bezogen auf die genannte Achse axial versetzt zu wenigstens einem der Schallerzeuger der Gruppe angeordnet ist. Der axiale Versatz bzw. Abstand und die Ausrichtung des wenigstens einen weiteren Schallerzeugers sind vorzugsweise so gewählt, dass die von den Schallerzeugern der Gruppe erzeugten Kavitationsbläschen sich mit den mittels des wenigstens einen weiteren Schallerzeugers erzeugten Kavitationsbläschen zu größeren Bläschen vereinigen. In Umfangsrichtung um die Achse ist der wenigstens eine weitere Schallerzeuger vorzugsweise zwischen zwei in Umfangsrichtung nächst benachbarten Schallerzeugern der Gruppe angeordnet.

Obgleich ein Verstärkungseffekt hinsichtlich der Kavitation grundsätzlich bereits mittels eines einzigen weiteren Schallerzeugers erzielbar ist, sind bevorzugter mehrere weitere Schallerzeuger vorgesehen, die eine weitere Gruppe diskreter Schallerzeuger gemäß den vorstehenden Ausführungen bilden. Die weitere Gruppe der Schallerzeuger kann insbesondere wie die bereits beschriebene Gruppe gebildet sein. Die Schallerzeuger der weiteren Gruppe können mit der gleichen Frequenz schwingen wie die der ersten Gruppe. Sie können in alternativen Ausführungen auch mit einer anderen Frequenz schwingen, um eine Anpassung an unterschiedliches biologisches Material zu erzielen. Die Schallerzeuger der beiden Gruppen sind vorteilhafterweise in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet, so dass jeweils ein Schallerzeuger der einen Gruppe zwischen zwei nächst benachbarten Schallerzeugern der anderen Gruppe, vorzugsweise genau in der Mitte, angeordnet ist.

Von Vorteil ist auch der thermische Energieeintrag durch die Schallerzeuger, der einhergehend mit der erfindungsgemäß besonders intensiven Kavitation gegenüber herkömmlichen, auf Ultraschall beruhenden Zerkleinerungsvorrichtungen nochmals gesteigert wird. Der thermische Wirkungsgrad beträgt immerhin etwa 95°. Der Wärmeeintrag durch die Ultraschallerzeuger reicht vorteilhafterweise aus, um die Dispersion auf eine für die bevorzugt nachgeschaltete Fermentation günstige Temperatur zu erwärmen.

In einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung über die mit Schallenergie arbeitenden Zerkleinerungsvorrichtung hinaus auch noch wenigstens einen mechanischen Zerkleinerer. Der Schallzerkleinerer und der mechanische Zerkleinerer können insbesondere in Strömungsrichtung der Dispersion in Serie geschaltet sein, d.h. von der Dispersion nacheinander durchströmt werden. Im Falle einer seriellen Anordnung wird die Dispersion vorzugsweise zuerst in das Gefäß des mechanischen Zerkleinerers und anschließend in das Gefäß des Schallzerkleinerers geleitet, wobei die Dispersion im jeweiligen Gefäß während der Behandlung ruhen oder das Gefäß durchströmen kann. Eine Behandlung im kontinuierlichen Durchströmbetrieb wird für beide Behandlungsarten bevorzugt. Vorzugsweise können wahlweise entweder der eine oder der andere der Zerkleinerer oder beide Zerkleinerer nacheinander auf die Dispersion einwirken. Hierfür kann eine Steuerung für einen automatisierten Betrieb vorgesehen sein. In alternativen Ausführungen ist ein mechanischer Zerkleinerer zu dem Schallzerkleinerer parallel angeordnet, und es werden mittels der beiden Arten der Zerkleinerer unterschiedliche Ausgangsdispersionen behandelt, die anschließend entweder für eine gemeinsame Fermentation gemischt oder je einem eigenen Fermenter zugeführt werden.

Wegen der intensiven Zerkleinerung und damit einhergehend ihrer vergleichsweise niedrigen Viskosität kann die erfindungsgemäß behandelte Dispersion leichter als herkömmlich behandelte Dispersionen über ein Düsensystem in einen Fermenter für Biogaserzeugung eingespritzt werden. Die Düsen des Düsensystems sind vorteilhafterweise so ausgerichtet, dass die den Fermenter, d. h. in die Fermentsäule eingespritzten Strahlen im Fermenter eine Strömung des Ferments bewirken, die verhindert, dass die im Ferment noch vorhandenen Feststoffe sich am Boden des Fermenters absetzen können. Das Düsensystem kann insbesondere die bislang verwendeten mechanischen Rührwerke ersetzen. Besonders bevorzugt sind die Strahlachsen der einzelnen Düsen relativ zueinander und zu dem Fermenter so ausgerichtet, dass das Ferment eine Strömung um eine oder mehrere horizontale Rotationsachse(n) ausführt, so dass im Fermenter eine gegen die Schwerkraft aufsteigende und an anderer Stelle absteigende Strömung erzeugt wird. Besonders bevorzugt sind die Strahlachsen so ausgerichtet, dass eine Rotationsströmung um wenigstens zwei zueinander senkrechte Achsen erzeugt wird.

Die Schallerzeuger sollten mit einer Frequenz von wenigstens 12 kHz schwingen. Vorzugsweise handelt es sich um Ultraschallerzeuger im engeren Sinne, d.h. um Schallerzeuger, die mit einer Frequenz von wenigstens etwa 16 kHz schwingen.

Vorteilhafte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Kombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 eine Anlage für die Biogaserzeugung,
2 eine Gruppe von Schallerzeugern für die Zerkleinerung biologischen Materials in einem Querschnitt,
3 zwei Gruppen von Schallerzeugern in einem Querschnitt,
4 die zwei Gruppen von Schallerzeugern in einem Längsschnitt,
5-7 eine positive Überlagerung der von zwei Schallerzeugern einer Gruppe abgestrahlten Schallwellen,
8 einen mechanischen Zerkleinerer,
9 einen Fermenter zur Erzeugung von Biogas, der zur Befüllung mit einem Düsensystem eines ersten Ausführungsbeispiels ausgestattet ist,
10 das Düsensystem des ersten Ausführungsbeispiels in Einzeldarstellung,
11 eine einzelne Düse des Düsensystems des ersten Ausführungsbeispiels,
12 ein Düsensystem eines zweiten Ausführungsbeispiels und
13 eine Zentrifuge zur Trennung von Wasser und Trockensubstanz.
1 zeigt eine Anlage für die Erzeugung von Biogas. Über eine Zuführung 1 wird Gülle oder Klärschlamm in einen Sammelbehälter 5 geleitet. Der Sammelbehälter 5 kann als offenes Becken gebildet sein. Über eine weitere Zuführung 2 wird Grünschnitt, Silage oder Schlachtabfall in einen Dosierbehälter 3 geleitet. Dieses Material wird dem Sammelbehälter 5 über ein Dosierorgan 4 zudosiert. Die Zuführung 1 kann getrennte Leitungen für Gülle und Klärschlamm aufweisen, um diese Dispersionen wahlweise einzeln und auch gleichzeitig in den Sammelbehälter 5 leiten zu können. Ebenso kann die Zuführung 2 je eine separate Zuführung für Grünschnitt, Silage und Schlachtabfall umfassen, um auch diese Stoffe wahlweise einzeln oder in jeder gewünschten Kombination in den Dosierbehälter 3 leiten zu können.
Die in dem Sammelbehälter 5 enthaltene, im wesentlichen aus Wasser, biologischem Material und gegebenenfalls anorganischen Feststoffen bestehende Dispersion wird nach vorheriger Aufbereitung in einen Fermenter 20 geleitet und darin mittels anaerob abbauenden Mikroorganismen fermentiert. Das dabei entstehende Biogas, im wesentlichen Methan und Kohlendioxid, wird am Kopf des Fermenters 20 abgezogen, das Kondensat wird mittels eines Kondensatausträgers 34 abgetrennt, und die verbleibende Gasphase wird mittels eines Gebläses 35 in einen Gasspeicher 36 gepresst. Das im Gasspeicher 36 gespeicherte Biogas wird in einem nachgeordneten Blockheizkraftwerk BHKW zur Strom- und Wärmegewinnung eingesetzt. Über eine Leitung 37 wird der erzeugte Strom in das öffentliche Netz eingespeist. Über eine Leitung 38 wird ein Teil der erzeugten Wärme zu Fremdabnehmern geleitet, während über eine weitere Leitung 39 Wärmeenergie für den Eigenbedarf der Anlage entnommen wird. Das Blockheizkraftwerk ist optional, stattdessen oder zusätzlich kann Biogas beispielsweise auch direkt dem Gasspeicher 36 entnommen und Abnehmern geliefert werden. Grundsätzlich kann auch der Gasspeicher 36 entfallen und das im Fermenter 20 erzeugte Biogas unmittelbar, vorzugsweise nach Kondensatabtrennung, einem anlagenfremden, bei einem Abnehmer befindlichen Gasspeicher zugeführt werden. Denkbar ist auch eine unmittelbare Einspeisung, vorzugsweise über den Gasspeicher 36, in ein öffentliches oder privates Biogasnetz. In bevorzugten Ausführungen ist die Anlage auch mit einer Einrichtung zur Trennung von Kohlendioxid und Methan sowie, optional, weiteren Bestandteilen des Biogases ausgestattet.
Das entgaste Ferment 21 wird im Bodenbereich des Fermenters 20 über einen Abfluss 6 abgezogen und einer Zentrifuge 40 zugeführt. Mittels der Zentrifuge 40 werden ein Flüssiganteil, im wesentlichen Wasser, und ein Feststoffanteil als Trockensubstanz 46 voneinander getrennt. Die Trockensubstanz 46 wird deponiert. Der Flüssiganteil wird über eine Rückführleitung 8 in den Behälter 5 zurückgeführt, vorzugsweise mittels einer Pumpe 9 gefördert. Mittels des so im Kreislauf geführten Flüssiganteils wird die Viskosität der in dem Sammelbehälter 5 befindlichen Dispersion verringert. Dies senkt die Betriebskosten, weil kein zusätzliches Leitungswasser benötigt wird. Der mittels der Zentrifuge 40 erhaltene Flüssiganteil oder ein Teil davon kann auch über eine Entsorgungsleitung 48 aus dem Kreislauf abgezogen und entsorgt werden.
Das über den Abfluss 6 abgezogene Ferment oder ein Teil davon kann wahlweise anstatt der Zentrifuge 40 auch im Kreislauf zurück- und der Dispersion hinter dem Sammelbehälter 5 und vor deren Aufbereitung zugeführt werden, vorzugsweise wie gezeigt mit einer Pumpe 7. Auch diese Rückführung ist optional, obgleich vorteilhaft.
Der Aufbereitung der Dispersion dient eine Zerkleinerungsvorrichtung 10, die das in der Dispersion enthaltene biologische Material mittels Ultraschall zerkleinert und dadurch für den mikrobiellen Abbau im Fermenter 20 aufschließt. Der Zerkleinerungsvorrichtung 10 ist optional ein Wärmetauscher 18 nachgeschaltet, mittels dem die aufbereitete Dispersion auf eine für die Fermentation optimale Temperatur gebracht wird, sollte dies noch erforderlich sein. Eine Pumpe 19 fördert die Dispersion aus dem Sammelbehälter 5 durch die Zerkleinerungsvorrichtung 10, den optionalen Wärmetauscher 18 und über ein Düsensystem 24 in den Fermenter 20.
2 zeigt die Zerkleinerungsvorrichtung 10 in einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt.
Die Zerkleinerungsvorrichtung 10 des ersten Ausführungsbeispiels umfasst ein rohrförmiges, kreiszylindrisches Gefäß 13, das von der Dispersion kontinuierlich in Richtung einer zentralen Längsachse A durchströmt wird, vorzugsweise gegen die Schwerkraft aufsteigend oder gegebenenfalls nur horizontal.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine einzige Gruppe von Schallerzeugern 11, die an der Ringwand des Gefäßes 13 um eine gemeinsame zentrale Achse A angeordnet sind. Die Schallerzeuger 11 sind in das Innere des Gefäßes 13 auf einen gemeinsamen Zentralbereich Z₁ gerichtet. Die einzelnen Schallerzeuger 11 strahlen einen überwiegenden Teil ihrer jeweiligen Ultraschallenergie in Richtung auf den Zentralbereich Z₁. Im Ausführungsbeispiel sind die Schallerzeuger 11 auf die Achse A gerichtet und strahlen zumindest im Wesentlichen rechtwinklig von der ringförmigen Wand des Gefäßes 13 ab. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine abweichende Ausrichtung möglich, solange nur der überwiegende Teil der jeweiligen Schallenergie in den gemeinsamen Zentralbereich Z₁ abgestrahlt wird. Die Schallerzeuger 11 werden mit gleicher Frequenz betrieben, so dass die von den einzelnen Schallerzeugern 11 erzeugten Schallwellen in der Dispersion einander positiv überlagern. Die Schallerzeuger 11 sind in Bezug auf die Achse A, d.h. die Strömungsrichtung der Dispersion, auf gleicher Höhe um die Achse A in Umlaufrichtung nebeneinander angeordnet und weisen von der Achse A je den gleichen radialen Abstand auf. Die Phasenlagen der Schallerzeuger 11 sind aufeinander abgestimmt.
Die Wand des Gefäßes könnte anstatt kreisringförmig auch anders ringförmig geformt sein, beispielsweise elliptisch oder auch polygonal. Bevorzugt wird jedenfalls eine Wandform, die von Hause aus ohne weitere zusätzliche Maßnahmen eine koaxiale Anordnung und Ausrichtung der Schallerzeuger 11 ermöglicht. Im Ausführungsbeispiel mit fünf Schallerzeugern 11 kann diese Forderung beispielsweise auch durch eine fünfeckige Wand mit gleichlangen Seiten erreicht werden, so dass die Anbringung für jeden der Schallerzeuger 11 im jeweiligen Wandbereich die gleiche sein kann. Eine koaxiale Anordnung wird auch für alternative Ausführungen mit mehr oder weniger als fünf Schallerzeugern pro Gruppe bevorzugt.
"Gerichtete" Abstrahlung bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Schallerzeuger 11 von ihrem Wandbereich des Gefäßes 13 weg in den Zentralbereich Z₁ abstrahlen und jeweils allenfalls eine halbkreisförmige Wellenfront erzeugen, die sich in das Gefäßinnere ausbreitet. Bevorzugt ist die Wellenfront von den Schallerzeugern 11 ausgehend auf einen Ausbreitungswinkel von höchstens 180°, vorzugsweise deutlich unter 180° begrenzt. Die Schallerzeuger 11 können auch von solch einer Art sein, die im Wesentlichen gerade Schallwellen erzeugt, die sich rechtwinklig zu der jeweiligen Radialen auf die Achse A zu ausbreiten. Desweiteren sind auch andere Bauarten von Schallerzeugern mit Vorteil einsetzbar, die sich keulenförmig in Richtung des Zentralbereichs Z₁ ausbreitende Schallwellen erzeugen. Die Schwingelemente der Schallerzeuger 11 schwingen mechanisch unabhängig voneinander und sind in diesem Sinne "diskrete" Schallerzeuger 11. Es können daher handelsübliche Schallerzeuger 11 verwendet werden, die synchron erregt werden, was die Kosten senkt. Aufgrund der erfindungsgemäß positiven Überlagerung wird mit vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme der einzelnen Schallerzeuger 11 in der Dispersion eine intensive Kavitation erzeugt und dadurch eine entsprechend intensive, weitgehende Zerkleinerung des biologischen Materials bewirkt. Es wird ein hoher Zerkleinerungsgrad des biologischen Materials bis auf subzelluläre Strukturen erzielt. Das derart aufgeschlossene Material bietet den im Fermenter 20 angreifenden Mikroorganismen eine weit größere Oberfläche als herkömmlich zerkleinertes Material, so dass die Verweilzeit des Ferments 21 im Fermenter 20 verringert und gleichzeitig die Biogasausbeute erhöht werden können. Ferner wird aufgrund der intensiveren Kavitation die Dispersion stärker als durch herkömmliche Schallzerkleinerer erwärmt. Dies trägt ebenfalls zur Senkung der Betriebskosten der Anlage bei.
Jeder der Schallerzeuger 11 ist so ausgebildet und ausgerichtet, dass er seine Schallenergie zumindest zu einem überwiegenden Teil in Richtung auf eine Lücke abstrahlt, die jeweils über die Achse A gegenüberliegend zwischen den beiden dort einander nächst benachbarten Schallerzeugern 11 verbleibt. Die Schallerzeuger 11 strahlen somit nicht auf gegenüberliegende Schallerzeuger 11 oder allenfalls in einem solchen Ausmaß, dass der oder die jeweils gegenüberliegende(n) Schallerzeuger 11 nicht beschädigt werden kann oder können. Die Schallerzeuger 11 können z.B. so ausgebildet sein, dass ihre jeweils schwingenden Masse die Schallenergie genau zwischen zwei gegenüberliegende Schallerzeuger 11 abstrahlt. Auf diese Weise kann im gesamten Strömungsquerschnitt Kavitation erzeugt werden, ohne gleichzeitig die Schallerzeuger selbst mit Schallenergie zu beaufschlagen. Gegebenenfalls können die sich ausbreitenden Schallwellen an ihren seitlichen Rändern die gegenüberliegenden Schallerzeuger 11 auch überlappen, falls die Schallwellen bis zu den betreffenden Schallerzeugern 11 hin "ausfransen", oder es kann in Umfangrichtung ein Sicherheitsabstand bestehen. Die von den Schallerzeugern 11 je einzeln ausgehenden, hauptsächlichen Druckschwankungen finden in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Lücke statt. Die Schallerzeuger können insbesondere so gebildet sein, dass sie in der gezeigten, zur Achse A rechtwinkligen Querschnittsebene von der schwingenden Masse ausgehend je einen kegel- oder kegelstumpfförmigen Bereich beschallen, dessen beiden Seitenränder zwischen zwei gegenüberliegend nächst benachbarten Schallerzeugern 11 verlaufen.
Die Schallerzeuger 11 können so ausgebildet sein, dass sie von Hause aus je mit der gleichen Frequenz schwingen, beispielsweise indem sie Schwingelemente und Wandler aufweisen, die pro Schallerzeuger 11 entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Alternativ oder ergänzend zu solch einer Abstimmung kann für andere Bauarten der Schallerzeuger 11 auch eine Steuerung vorgesehen sein, welche die schwingenden Massen der Schallerzeuger 11 je unmittelbar mit der gleichen Frequenz erregt. Mittels einer Steuerung, die eine Veränderung der Frequenz ermöglicht, kann die Frequenz der Schallerzeuger 11 vorteilhafterweise auch auf variierende Eigenschaften der Dispersion eingestellt werden.
Der Zentralbereich Z₁ ist der Bereich im Strömungsquerschnitt, in den alle Schallerzeuger 11 einstrahlen. Indem der Strömungsquerschnitt von der Wand des Gefäßes 13 aus beschallt wird und für jeden der Schallerzeuger 11 winkelig entgegenstrahlend wenigstens ein anderer der Schallerzeuger 11 vorgesehen ist, kann eine Reflektion von dem jeweils gegenüberliegenden Wandbereich zurück in den Zentralbereich Z₁ praktisch vernachlässigt werden. Die Gefahr der Ausbildung von stehenden Wellen besteht nicht. Die Wand ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass sie von Hause aus allenfalls in einem praktisch vernachlässigbaren Ausmaß die Schallwellen reflektiert, vorzugsweise handelt es sich um eine Stahlwand.
Die Gruppe besteht aus 5 Schallerzeugern 11, die um die Achse A gleichmäßig verteilt angeordnet sind, d.h. jeder der Schallerzeuger 11 weist in Umfangsrichtung um die Achse A zu seinem jeweils nächsten Nachbarn je den gleichen Winkelabstand α von 72° auf, jeweils gemessen zu den Mitten der Schallerzeuger 11.
3 zeigt die Zerkleinerungsvorrichtung 10 in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt und 4 in einem in Strömungsrichtung der Dispersion sich erstreckenden Längsschnitt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Zerkleinerungsvorrichtung 10 die Schallerzeuger 11 des ersten Ausführungsbeispiels als eine erste Gruppe und eine weitere, zweite Gruppe von Schallerzeugern 12. Die Gruppe der Schallerzeuger 12 entspricht in sich nach Anordnung und Ausrichtung der Gruppe der Schallerzeuger 11. Die Schallerzeuger 12 sind untereinander gleich, sie können insbesondere den Schallerzeugern 11 entsprechen. Die zweite Gruppe der Schallerzeuger 12 ist zu der ersten Gruppe der Schallerzeuger 11 axial versetzt angeordnet. Die Schallerzeuger 12 strahlen ihre jeweilige Ultraschallenergie ebenfalls positiv überlagernd in einen gemeinsamen Zentralbereich Z₂ ein, der axial von dem Zentralbereich Z₁ versetzt gebildet ist. Mittels der beiden Gruppen der Schallerzeuger 11 und 12 werden zwei axial zueinander versetzte, aneinander grenzende, axial gegebenenfalls zum Teil einander überlappende Axialabschnitte in dem Gefäß 13 gebildet mit einmal dem Zentralbereich Z₁ und das andere Mal dem Zentralbereich Z₂.
In 4 ist der axiale Versatz zu erkennen. Die Dispersion durchströmt die beiden Gruppen von Schallerzeugern 11 und 12 im Betrieb nacheinander kontinuierlich mit jeweils einem Eintrag von Schallenergie. Über den reinen Summeneffekt hinaus ist der axiale Versatz der Schallerzeuger 12 zu den Schallerzeugern 11 so gewählt, dass die im jeweiligen Kavitationsabschnitt entstehenden Kavitationsbläschen sich miteinander zu größeren Kavitationsbläschen vereinigen und somit größere Bereiche des biologischen Feststoffmaterials in den Bereich von Kavitationsbläschen gelangen oder gänzlich von Kavitationsbläschen eingeschlossen werden.
Die beiden Gruppen von Schallerzeugern 11 und 12 sind in Umfangsrichtung um die Achse A gesehen zueinander versetzt, so dass in Umfangsrichtung alternierend auf je einen Schallerzeuger 11 oder 12 der einen Gruppe ein Schallerzeuger 12 oder 11 der anderen Gruppe folgt. Im Ausführungsbeispiel ist je einer der Schallerzeuger 11 oder 12 der einen Gruppe genau in der Mitte zwischen zwei einander nächst benachbarten Schallerzeugern 12 oder 11 der anderen Gruppe angeordnet.
Die 5 bis 7 zeigen am Beispiel von zwei Schwingungserzeugern 11 oder 12 die positive Überlagerung der abgestrahlten Schallwellen am Beispiel einer Sinusschwingung. Die 6 und 7 zeigen je qualitativ einen sinusförmigen Druckverlauf, wie ihn jeder der Schallerzeuger 11 und 12 einzeln erzeugt, und 5 zeigt die ausschließlich positive Überlagerung der beiden Wellen, d.h. die vollständige Verstärkung.
8 zeigt einen mechanischen Zerkleinerer 16, der optional vorgesehen ist. Der Zerkleinerer 16 kann im Strömungsweg der Dispersion zwischen dem Sammelbehälter 5 und dem Fermenter 20 zusätzlich zu der Zerkleinerungsvorrichtung 10 vorgesehen sein und ist in solch einem Fall vorzugsweise stromaufwärts der Zerkleinerungsvorrichtung 10 angeordnet. Er kann insbesondere zwischen dem Ort, an dem das aus dem Fermenter 20 abgezogene Ferment 21 zurückgeführt wird, und der Zerkleinerungsvorrichtung 10 angeordnet sein. Er kann stattdessen auch der Zerkleinerung des über die Zuführung 2 zugeführten biologischen Materials dienend in der Zuführung 2, dem Dosierbehälter 3 oder zwischen dem Dosierbehälter 3 und dem Sammelbehälter 5 angeordnet sein. Die Anlage kann auch mehrere mechanische Zerkleinerer 16 aufweisen. Der Zerkleinerer 16 besteht im Wesentlichen aus einem Gefäß für die Dispersion und einem in dem Gefäß angeordneten Rotor für die mechanische Zerkleinerung des biologischen Materials. Der Rotor ist vorzugsweise so geformt und dreht vorzugsweise mit solch einer Rotationsgeschwindigkeit, dass in der Dispersion durch die Rotationsbewegung Kavitation erzeugt wird, die den mechanischen Zerkleinerungsprozess vorteilhaft unterstützt. Falls ein derartiger Zerkleinerer 16 zwischen dem Sammelbehälter 5 und der Zerkleinerungsvorrichtung 10 angeordnet ist, kann in Abhängigkeit von der Art der Dispersion dieselbe wahlweise mit dem mechanischen Zerkleinerer 16 oder der Zerkleinerungsvorrichtung 10 oder mit beiden Zerkleinerungsvorrichtungen 16 und 10 nacheinander behandelt werden.
9 zeigt den Fermenter 20. Der Fermenter 20 ist in aufrecht stehender Ausführung gebaut. Er weist eine zylindrische, im Ausführungsbeispiel kreiszylindrische, aufrechte Seitenwand auf, die eine zentrale Hochachse V des Fermenters 20 umgibt. Eine rundgewölbte Kuppel schließt den Fermenter 20 an seiner Oberseite ab. Der Boden 23 des Fermenters 20 fällt schräg zu einer Seite hin ab. Im tiefsten Bereich mündet der Abfluss 6 in den Boden 23. Die im Ausführungsbeispiel einfache Schräge des Bodens 23 ist in der Figur überzeichnet. Zentral in der Kuppel, in deren obersten Bereich mündet der Auslass für das Biogas. Durch den Boden 23 wird ebenfalls zentral die mittels der Zerkleinerungsvorrichtung 10 aufbereitete Dispersion 21a in die im Fermenter 20 gebildete Säule des Ferments 21 eingeleitet. An den Einlass für die Dispersion 21a schließt sich noch unmittelbar am Boden 23 oder zumindest bodennah das Düsensystem 24 an.
Das Düsensystem spritzt bodennah von zentraler Stelle die unter Druck zugeführte Dispersion 21a in die Säule des Ferments 21. Die Düsen des Düsensystems 24 sind so gerichtet, dass zumindest ein überwiegender Teil der Strahlaustrittsachsen S der Düsen schräg nach oben gerichtet ist. Die Strahlaustrittsachsen S sind ferner so gerichtet, dass die austretenden Dispersionsstrahlen in alle drei Raumrichtungen in die Fermentsäule gepresst werden. Bereits hierdurch wird eine intensive Durchmischung des Ferments 21 einschließlich der eingespritzten Dispersion erreicht. Die Austrittsöffnungen der Düsen sind so bemessen, dass die Dispersion jeweils als enger, aber starker Strahl austritt.
Die Strahlaustrittsachsen S sind so gerichtet, dass die austretenden Dispersionsstrahlen in der Säule des Ferments 21 eine rotierende Strömung mit wenigstens einer Rotationsachse, vorzugsweise eine Rotationsbewegung mit mehreren unterschiedlichen Rotationsachsen bewirken. Die Umströmung unterschiedlicher Rotationsachsen kann eine Strömung des Ferments 21 insgesamt sein, kann sich aber auch aus Rotationsbewegungen zusammensetzen, die je nur in einem Kompartiment des Fermenters 20 stattfinden. Die Strömung im gesamten Fermenter 20 oder gegebenenfalls nur in einem oder mehreren Kompartimenten findet zumindest um eine horizontale Rotationsachse statt, so dass das Ferment 21 zu einer Seite der Rotationsachse sich abwärts bewegt und zu der anderen Seite gegen die Schwerkraft aufsteigt. Ferner wird der Bodenbereich des Fermenters 20 von der Strömung erfasst, um Ablagerungen sicher zu verhindern. Vorzugsweise ist der Strömung um eine horizontale Rotationsachse eine Strömung um eine vertikale Rotationsachse, beispielsweise um die zentrale Hochachse V, überlagert. Noch bevorzugter ist diesen beiden Rotationen eine Rotationsbewegung um noch eine weitere horizontale Rotationsachse überlagert. Bei den Strömungen kann es sich dem Grunde nach um wirbelfreie Strömungen handeln, bevorzugter sind sie jedoch als Wirbelströmungen im hydrodynamischen Sinne ausgebildet. Die Düsen des Düsensystems 24 wirken je einzeln oder gruppenweise als Quellen der wirbelfreien oder wirbelbehafteten Wirbelströmung.
Die kreisende Strömung oder die mehreren kreisenden Strömungen werden vorteilhafterweise noch durch Öffnen des Abflusses 6 und damit einhergehend dem Abfluss von Ferment 21 ständig oder zeitweise verstärkt. Im Zusammenhang mit der strömungstechnisch bewirkten Durchmischung ist die Rückführung von Ferment 21 von Vorteil, da hierdurch der Durchsatz des Düsensystems 24 und somit der erzeugbare bzw. erzeugte Drehimpuls erhöht wird.
Das zentrale Düsensystem 24 ist in 10 in einem Längsschnitt dargestellt. Es umfasst einen Düsenkopf 25, der als Träger für mehrere Düsenelemente 26 dient. Jedes der Düsenelemente 26 bildet eine der Düsen des Düsensystems 24. Der Düsenkopf 25 weist an einem in 10 und auch im eingebauten Zustand unteren Ende einen Einlass für die unter Druck stehende Dispersion auf und bildet stromaufwärts von dem Einlass einen kuppelartigen Verteilerraum, aus dem heraus die Dispersion durch die Düsen gepresst wird. Der Düsenkopf 25 mit den Düsenelementen 26 ist als passives System ohne bewegliche Teile ausgeführt. Der Druck, unter dem die Dispersion im Düsenkopf 25 und insbesondere dessen Verteilerraum steht, bewirkt das Hinauspressen der Dispersion bzw. deren Einspritzen in die Fermentsäule.
Der Düsenkopf 25 weist an seiner vom Einlass abgewandten Oberseite einen dreidimensional nach außen zumindest näherungsweise rundgewölbten Mantel auf, dessen Innenvolumen einfach den Verteilerraum bildet. Einschließlich eines den Einlass bildenden unteren Abschnitts weist der Düsenkopf in etwa die Form eines Pilzes auf. Der Einlassabschnitt könnte grundsätzlich jedoch auch den halbkugelförmigen, schirm- oder kuppelartigen Mantel einfach zylindrisch verlängern oder gegebenenfalls auch gänzlich entfallen, ist aber vorteilhaft für die Befestigung des Düsenkopfs 25. Der Düsenkopf 25 ist einstöckig aus beispielsweise Stahl gebildet und weist in funktionaler Hinsicht ein Oberteil und ein Unterteil auf. Das Unterteil bildet den Einlass. In dem Oberteil ist der Verteilerraum gebildet. Ferner sind auf oder in dem Oberteil die Düsenelemente 26 befestigt.
Für die Befestigung der Düsenelemente 26 weist der Düsenkopf 25 im Bereich seines Oberteils Düsenbefestigungen 25a und 25b auf. Die Düsenbefestigungen 25a und 25b sind im Ausführungsbeispiel als Durchgangsbohrungen in dem das Oberteil bildenden Mantel gebildet und je mit einem Innengewinde versehen. Die Gewindeachsen G schneiden einander in einem Punkt auf einer Symmetrieachse des Düsenkopfs 25. Die Symmetrieachse fällt im eingebauten Zustand des Düsenkopfs 25 mit der zentralen Hochachse V des Fermenters zusammen. Der Düsenkopf 25 ist abgesehen von den Düsenbefestigungen 25a und 25b und den Düsenelementen 26 um die Symmetrieachse rotationssymmetrisch.
Die Düsenbefestigungen 25a sind je in einem Abstand um eine erste Achse H₁, und die Düsenbefestigungen 25b sind je in einem Abstand um eine zu der ersten Achse H₁ rechtwinklige zweite Achse H₂ angeordnet. Die beiden Achsen H₁ und H₂ weisen je wiederum rechtwinklig zu der Symmetrieachse, d. h. im eingebauten Zustand um die Hochachse V des Fermenters 20. Die Achsen H₁ und H₂ sind im eingebauten Zustand des Düsenkopfs 22 somit horizontale Achsen. Grundsätzlich muss die Symmetrieachse des Düsenkopfs 25 jedoch nicht mit der Hochachse des Fermenters 20 übereinstimmen. So kann die Symmetrieachse ohne weiteres entsprechend der Neigung des Bodens 23 zu der Hochachse V geneigt sein. Grundsätzlich kann die Symmetrieachse auch in jedem anderen Winkel zur Hochachse V geneigt sein.
11 zeigt eines der Düsenelemente 26 beispielhaft für die anderen. Das Düsenelement 26 weist einen Düsenkanal auf, der sich von einem inneren Ende des Düsenelements 26, das im eingebauten Zustand dem Verteilerraum des Düsenkopfs 25 zugewandt ist, bis zu einem gegenüberliegenden, in Bezug auf den Düsenkopf 25 äußeren Ende durchgehend erstreckt, so dass die Dispersion durch das Düsenelement 26 gepresst werden kann. Der Düsenkanal weist an seinem inneren Ende eine große Eintrittsöffnung und an seinem äußeren Ende einen demgegenüber deutlich kleineren Austrittsquerschnitt 28 auf, der eine Düsenaustrittsöffnung bildet. 11 zeigt eine bevorzugte Form des Düsenkanals, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Der Düsenkanal setzt sich aus einem die Eintrittsöffnung umfassenden Eintrittsabschnitt 27 und einem die Austrittsöffnung 28 umfassenden Austrittsabschnitt zusammen. Der Eintrittsabschnitt 27 verengt sich von der Eintrittsöffnung aus bis zu einer engsten Stelle, an der abknickend der Austrittsabschnitt sich anschließt. Der Eintrittsabschnitt 27 verjüngt sich im Ausführungsbeispiel bis zu der engsten Stelle gleichmäßig konisch. Der Austrittsabschnitt ist zylindrisch geformt, vorzugsweise kreiszylindrisch. Der Eintrittsabschnitt 27 ist vorzugsweise ebenfalls in jedem Querschnitt kreisrund.
Das Düsenelement 26 weist um den Eintrittsabschnitt 27 einen Schraubabschnitt auf, in dem es mittels Schraubverbindung mit jeder der Düsenbefestigungen 25a und 25b verbindbar ist. An den Schraubabschnitt schließt sich ein äußerer Endabschnitt an, der zumindest im Wesentlichen den Austrittsabschnitt des Düsenkanals bildet. Die Gewindeachse des Schraubabschnitts ist der Einfachheit wegen wie bereits die Gewindeachsen der Düsenbefestigungen 25a und 25b mit G bezeichnet. Der Austrittsabschnitt weist unter einem Winkel β von mehr als 90° zu der Gewindeachse G. Seine Längsachse bildet die Strahlaustrittsachse S. Die Gewindeachse G bildet eine Verstellachse, um die das Düsenelement 26 relativ zu dem Düsenkopf 25 drehverstellbar ist, um die Richtung der Strahlaustrittsachse S bei der Montage des Düsenelements 26 relativ zu dem Düsenkopf 25 für jede Düse individuell einstellen zu können. Ist die jeweilige Strahlaustrittsachse S wunschgemäß ausgerichtet, wird das betreffende Düsenelement 26 mittels einer Feststellmutter 29a in der betreffenden Drehwinkelstellung fixiert. Pro Düsenelement 26 ist ferner eine ringförmige Dichtung 29b vorgesehen, die durch Anziehen der Feststellmutter 29a verpresst wird und so die Dichtigkeit sicherstellt.
Das Düsenelement 26 besteht aus reibungsfestem und gegen Stillstandkorrosion beständigem Material.
Im Ausführungsbeispiel bilden die an den Orten der Düsenbefestigungen 25a befestigten Düsenelemente 26 eine erste Gruppe von Düsen, und die an den Orten der Düsenbefestigungen 25b angebrachten Düsenelemente 26 bilden eine zweite Gruppe von Düsen. Die Düsenelemente 26 sind in solchen Drehstellungen befestigt, bezogen auf ihre Verstellachsen G, dass die Strahlaustrittsachsen S der bei den Düsenbefestigungen 25a angeordneten Düsen gemeinsam in der Fermentsäule eine Strömung um eine zu der Achse H₁ parallele horizontale Rotationsachse erzeugen. So weisen die Strahlaustrittsachsen S dieser Gruppe von Düsen oder eines Teils der Düsen in Umlaufrichtung um die Achse H₁ je eine in die Umlaufrichtung weisende Tangentialkomponente zu der Achse H₁ auf. In gleicher Weise können die bei den Düsenbefestigungen 25b angeordneten Düsen in Bezug auf die Achse H₂ ausgerichtet sein und im Ferment 20 eine Strömung um eine zu der Achse H₂ parallele Rotationsachse bewirken. Die Achsen H₁ und H₂ oder eine dieser Achsen können oder kann auch selbst eine Rotationsachse der im Fermenter 20 bewirkten Wirbelströmung bilden. Die Strahlaustrittsachsen S der Düsen des Düsenkopfs 25 weisen im eingebauten Zustand auch je eine horizontale Komponente auf, zumindest trifft dies für einen Teil der Strahlaustrittsachsen S zu. Die Horizontalkomponenten sind so ausgerichtet, dass sie zusammenwirkend im Ferment 21 einen Drehimpuls um eine oder mehrere vertikale Achsen, vorzugsweise um die zentrale Hochachse V, erzeugen.
Aufgrund der pro Düsenelement 26 winkeligen Ausrichtung der jeweiligen Verstellachse G und der jeweiligen Strahlaustrittsachse S zueinander können die Strahlaustrittsachsen S in einem weiten Rahmen, einfach und pro Düsenelement 26 individuell in optimaler Weise eingestellt werden, um eine möglichst intensive Durchmischung des Ferments 21 zu erzielen.
Insgesamt sind auf dem Düsenkopf 25 zwölf Düsenelemente 26 befestigt und somit zwölf Düsen gebildet, je sechs in einer Querschnittsebene um eine der Achsen H₁ und H₂. Grundsätzlich können jedoch auch weniger oder mehr Düsen vorgesehen sein, allerdings sollte eine das gesamte Volumen der Säule des Ferments 21 erfassende Wirbelströmung erzeugt werden können.
12 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Düsensystem. Das Düsensystem des zweiten Ausführungsbeispiels kann wie der Düsenkopf 25 an dessen Stelle im Fermenter 20 ortsfest, zentral und bodennah angeordnet sein. Während das Düsensystem 24 des ersten Ausführungsbeispiels unbeweglich ist, bewegt sich das Düsensystem des zweiten Ausführungsbeispiels während dem Einspritzen der Dispersion 21a. Der Antrieb für diese Bewegung wird allein strömungstechnisch durch das Einspritzen der Dispersion 21a bewirkt.
Das Düsensystem des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst einen Rotor, bestehend aus einem zentralen Lagerteil 30 und davon abstehenden Flügeln 31. Im Ausführungsbeispiel weist der Rotor zwei zueinander fluchtende Flügel 31 mit je dem gleichen Profil auf. Das Profil zeichnet sich dadurch aus, dass seine Ober- und Unterseite 33 gleich geformt sind und bezüglich der Profilsehne symmetrisch ist. Die Profilform verhindert, dass bei der Drehbewegung des Rotors 30, 31 unerwünschte Strömungskräfte auftreten, die als Zugkräfte wirkend eine Materialermüdung und Zerstörung der Flügel 31 nach sich ziehen könnten.
Auf den Flügeln 31 sind jeweils mehrere Düsen 32 gebildet oder in der An der Düsenelemente 26 befestigt. Die Düsen 32 sind so ausgerichtet, dass sie zumindest gemeinsam den Drehantrieb des Rotors 30, 31 alleine bewirken. Die Strahlaustrittsachsen S sind ferner so gerichtet, dass eine oder mehrere Strömungen um eine oder mehrere Achsen im Sinne der vorstehenden Ausführungen zum unbeweglichen Düsensystem 24 erzeugt werden. Von der Rotation des Rotors abgesehen kommt auch das Düsensystem des zweiten Ausführungsbeispiels ohne bewegliche Teile aus.
Das Lagerteil 30 bildet den Einlass für die Dispersion 21a, im Grunde wie der Düsenkopf 25 des ersten Ausführungsbeispiels. Ferner bildet das Lagerteil 30 einen Vorverteilerraum, aus dem die unter Druck stehende Dispersion 21a in die Hohlprofile der Flügel 31 strömt und sich dort bis zu den jeweiligen Düsen 32 verteilt, um anschließend durch die Düsen 32 unter Druck auszutreten. Obgleich die Ausbildung als Hohlprofil bevorzugt wird, das mit der unter Druck stehenden Dispersion 21a gefüllt oder befüllbar ist, können in den Flügeln 31 auch extra Kanäle zu den Düsen 32 vorgesehen sein.
Wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel treten die Strahlen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus den Düsen 32 aus. Der Druck der Dispersion 21a ist ausreichend hoch und die Austrittsöffnungen der Düsen 32 sind entsprechend eng.
Das Düsenelement 26 besteht aus reibungsfestem und beständigem Material gegen Stillstandkorrosion.
13 zeigt die Zentrifuge 40. Die Zentrifuge umfasst eine Trommel 42, die um eine vertikale Rotationsachse R drehbar gelagert ist und von einem Motor 43 drehangetrieben wird. Die Trommel 42 weist einen als plane Kreisscheibe geformten, horizontal ausgerichteten Boden 42a und einen von dem Boden 42a aufragenden Mantel 42b auf. Der Mantel 42b weitet sich von dem Boden 42a aus bis zu einem von dem Boden 42a abgewandten oberen Mantelende konisch kontinuierlich auf. Die Trommel 42 erhält auf diese Weise die Form eines hohlen, geraden Kegelstumpfs. Der Neigungswinkel γ, mit dem der Mantel 42b gegen die Horizontale geneigt ist beträgt 56° ± 4°.
Das Ferment 21 wird mittels einer Zuführung 44, die mit dem Auslass 6 des Fermenters 20 verbunden ist, in die Trommel 42 eingebracht. Die Zuführung 44 ist ein Rohr, das von oben vertikal in die Trommel 42 bis nahe zu deren Boden 42a ragt und relativ zu dem Mantel 42b zentrisch angeordnet ist. Die Zuführung endet kurz über dem Boden 42a.
Die Zentrifuge umfasst ferner einen Behälter 41, in dem die Trommel 42 aufgenommen ist. Die Trommel 42 stützt sich bei ihrer Rotationsbewegung an einem oberen Rand des Behälters 41 ab. Der Boden 42a ist auf einem Drehteller befestigt, der von dem Motor 43 drehangetrieben wird. Der Behälter 41 dient als Sammelbehälter für Flüssigkeit. In dem Boden des Behälters 41 mündet der Auslass 47, der mit der Rückführleitung 8 und der Entsorgungsleitung 48 (1) verbunden ist.
Der Mantel 42b ist über die gesamte Mantelfläche durchlässig für die im zugeführten Ferment 21 enthaltene Flüssigkeit, aber undurchlässig für die mitgeführten Feststoffe, soweit diese Festkörpergröße aufweisen. Der Mantel 42b und vorzugsweise auch der Boden 42a weist oder weisen jeweils eine Siebgröße von vorzugsweise weniger als 10 μm auf. Besonders bevorzugt ist die Siebgröße kleiner oder höchstens 1 μm, so dass Feststoffpartikel, die entlang wenigstens einer Achse gemessen 1 μm oder größer sind, zurückgehalten werden. Im Ausführungsbeispiel ist auch der Boden 42a durchlässig für den Flüssiganteil, aber undurchlässig für Feststoffe, soweit diese die Größe von Festkörpern erreicht haben. Die Durchlässigkeit/Undurchlässigkeit des Bodens 42a entspricht der des Mantels 42b.
Im Betrieb der Anlage wird das entgaste Ferment 21 durch den Auslass 6 des Fermenters 20 abgezogen, entweder kontinuierlich oder gegebenenfalls auch portionsweise, quasi kontinuierlich und durch die als Fallleitung ausgeführte Zuführung 44 kurz über dem Boden 42a in die Trommel 42 eingebracht. Die Trommel 42 wird während des Einbringens kontinuierlich mit hoher Drehzahl drehangetrieben. Die Drehzahl sollte wenigstens 1000 U/min, bevorzugter wenigstens 1500 U/min betragen. Andererseits sollte eine Drehzahl von 1500 bis 1700 U/min ausreichend sein. Die auf den Boden 42a fallende Dispersion 21 wird sobald sie den Boden 42a erreicht hat aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen gegen den Mantel 42b gedrückt und steigt aufgrund der Zentrifugalkraft an dem sich nach oben verbreiternden Mantel 42b aufwärts. Ein beachtlicher Teil des Flüssiganteils rieselt bereits durch den Boden 42a in den Zentrifugenbehälter 41. Die so bereits in unmittelbarer Nähe des Bodens 42a von einem Teil ihrer Flüssigkeit befreite Restfraktion erfährt bei ihrem Aufstieg eine kontinuierlich wachsende Umlaufgeschwindigkeit. Entsprechend vergrößert sich der nach radial auswärts gerichtete Druck der Flüssigkeit in der Restfraktion. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass die Masse der aufsteigenden Restfraktion sich nach oben verringert. Am oberen Ende der Trommel 42 gelangt die Restfraktion mit einem vergleichsweise sehr geringen Flüssigrestanteil von höchstens 10 Gew.-% in den Auslass 45 und von dort in das Lager 46. Der ausgetragene Feststoffanteil kann als Trockensubstanz bezeichnet werden. Er kann unmittelbar deponiert oder verbrannt werden. Der Auslass 45 ist als einfacher Überlauf gebildet, so dass der Feststoffanteil über den gesamten Umfang des oberen Rands ausgetragen wird. Aufgrund der Zentrifugalkraft wird der Feststoffanteil gegen eine zumindest den oberen Rand der Trommel 42 überdeckende und vom Rand in einem Abstand angeordnete Überdeckung 49 geschleudert. Die gegen eine nach unten gezogene Wandung der Überdeckung 49 prallende Feststofffraktion fällt aufgrund ihres Gewichts neben den Behälter 41, so dass um den Behälter 41 das ringförmige Lager 46 sich bildet. Gegebenenfalls kann unterhalb der Überdeckung 45 umlaufend eine Rinne gebildet sein, die spiralig um die Drehachse der Trommel 43 verläuft und gegebenenfalls noch vibratorisch angetrieben wird, um den Feststoffanteil in der spiralförmigen Rinne zu deren unteren Ende zu fördern.

1: Zuführung
2: Zuführung
3: Dosierbehälter
4: Dosierorgan
5: Sammelbehälter
6: Abfluss
7: Pumpe
8: Rückführleitung
9: Pumpe
10: Zerkleinerungsvorrichtung
11: Schallerzeuger, Ultraschall
12: Schallerzeuger, Ultraschall
13: Gefäß
14
15
16: Mechanischer Zerkleinerer
17
18: Wärmetauscher
19: Pumpe
20: Fermenter, Behandlungseinrichtung
21a: Dispersion
21: Dispersion, Ferment
22: Biogas
23: Boden
24: Düsensystem
25: Düsenkopf
25a: Düsenbefestigung
25b: Düsenbefestigung
26: Düsenelement
27: Düsenkanal
28: Düsenöffnung
29a: Feststellmutter
29b: Dichtung
30: Lagerteil
31: Flügel
32: Düse
33: Oberseite, Unterseite
34: Kondensatausträger
35: Gebläse
36: Gasspeicher
37: Stromleitung
38: Wärmeleitung
39: Wärmeleitung
40: Zentrifuge
41: Behälter
42: Rotationskörper, Sieb
42a: Boden
42b: Mantel
43: Motor
44: Fermentzuführung
45: Auslass
46: Trockensubstanz
47: Abfluss
48: Entsorgungsleitung
49: Überdeckung
α: Winkelabstand
γ: Winkel
A: Achse
G: Verstellachse, Gewindeachse
H₁: horizontale Achse
H₂: horizontale Achse
R: Rotationsachse
S: Strahlaustrittsachse
V: vertikale Achse, Hochachse
Z₁: Zentralbereich
Z₂: Zentralbereich

Claims

Vorrichtung für den Aufschluss von in Dispersion enthaltenem biologischen Material, die Vorrichtung umfassend: a) ein Gefäß (13) zur Durchleitung oder Aufnahme der Dispersion, b) und eine Gruppe diskreter Schallerzeuger (11), die für einen Aufschluss des biologischen Materials einander positiv überlagernd in einen gemeinsamen Zentralbereich (Z₁) abstrahlend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11) je zwischen zwei einander nächst benachbarte Schallerzeuger (11) der Gruppe gerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11) um eine sich durch den Zentralbereich (Z₁) erstreckende Achse (A) an einer Wand des Gefäßes (13) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11) um eine sich durch den Zentralbereich (Z₁) erstreckende Achse (A) angeordnet sind und jeder der Schallerzeuger (11) zu jedem anderen der Schallerzeuger (11) in Umfangrichtung einen Winkelabstand (α) hat, der ungleich 180° ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11) um eine sich durch den Zentralbereich (Z₁ ) erstreckende Achse (A) angeordnet sind und jeder der Schallerzeuger (11) zu seinen beiden in Umfangsrichtung um die Achse (A) nächst benachbarten Schallerzeugern (11) den gleichen Winkelabstand (α) hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe fünf diskrete Schallerzeuger (11) umfasst, vorzugsweise aus fünf diskreten Schallerzeugern (11) besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11) um eine sich durch den Zentralbereich (Z₁) erstreckende Achse (A) je auf der gleichen axialen Höhe angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11) um eine sich durch den Zentralbereich (Z₁) erstreckende Achse (A) je im gleichen radialen Abstand von der Achse (A) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend wenigstens einen weiteren Schallerzeuger (12), der zu den um eine sich durch den Zentralbereich (Z₁) erstreckende Achse (A) angeordneten Schallerzeugern (11) der Gruppe in einem axialen Abstand versetzt und in den Zentralbereich oder einen zu dem Zentralbereich (Z₁) axial versetzten weiteren Zentralbereich (Z₂) abstrahlend angeordnet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand so gewählt ist, dass mittels der Schallerzeuger (11) der Gruppe und des wenigstens einen weiteren Schallerzeugers (12) in der Dispersion erzeugbare Kavitationsbläschen sich vereinigen.
Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere Schallerzeuger (12) in Umfangsrichtung um die Achse (A) in einer Lücke zwischen zwei in Umfangsrichtung einander nächst benachbarten Schallerzeugern (11) der Gruppe angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere Schallerzeuger (12) zu einer weiteren Gruppe diskreter Schallerzeuger (12) gehört, die einander positiv überlagernd in den Zentralbereich oder den gemeinsamen weiteren Zentralbereich (Z₂) gerichtet sind, wobei die beiden Gruppen (11, 12) je um die Achse (A) und voneinander axial in einem Abstand versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11) der Gruppe und die Schallerzeuger (12) der weiteren Gruppe in Umfangsrichtung um die Achse (A) zueinander auf Lücke angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11; 11, 12) je mit der gleichen Frequenz betrieben werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger (11; 11, 12) um eine sich durch den Zentralbereich (Z₁; ₁, Z₂) erstreckende Achse (A) angeordnet sind und radial einwärts von den Schallerzeugern (11; 11, 12) kein weiterer Schallerzeuger angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer Zerkleinerer (16) für eine Zerkleinerung von biologischem Material der Dispersion mit der Vorrichtung (10) in Strömungsverbindung steht, so dass die Dispersion nacheinander mittels des mechanischen Zerkleinerers (16) und der Vorrichtung (10) oder wahlweise nur mit dem mechanischen Zerkleinerer (16) oder nur der Vorrichtung (10) behandelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mit einem nachgeschalteten Fermenter (20) in Strömungsverbindung steht und der Fermenter (20) mit einem Düsensystem (24) ausgestattet ist, durch dessen Düsen (28) die mittels der Vorrichtung (10) behandelte Dispersion in den Fermenter (20) eingespritzt wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (27) so ausgerichtet sind, dass durch das Einspritzen in einer in dem Fermenter (20) gebildeten Säule des Ferments (21) eine Strömung um wenigstens eine horizontale Achse, vorzugsweise auch um die vertikale Achse, bewirkt wird.
Anlage für die Erzeugung von Biogas, umfassend: a) einen Fermenter (20), der mit Ferment (21) befüllt oder befüllbar ist, b) und eine Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Bereitstellung des Ferments oder einer Vorstufe des Ferments.
Verfahren für den Aufschluss von in Dispersion enthaltenem biologischen Material, bei dem die Dispersion mittels einer Gruppe diskreter Schallerzeuger (11) so beschallt wird, dass die von den Schallerzeugern (11) in der Dispersion erzeugten Schallwellen einander positiv überlagern.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion von wenigstens einer weiteren Gruppe diskreter Schallerzeuger (12) so beschallt wird, dass die von diesen Schallerzeugern (12) in der Dispersion erzeugten Schallwellen einander ebenfalls positiv überlagern.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zu jeweils einer der Gruppen gehörenden Schallerzeuger (11, 12) je mit der gleichen Frequenz und die Schallerzeuger (11) der einen Gruppe und die Schallerzeuger (12) der wenigstens einen weiteren Gruppe mit der gleichen oder in Anpassung an in der Dispersion enthaltenen unterschiedlichen biologischen Materialien mit zwei verschiedenen Frequenzen schwingen.