DE102005055310B4

DE102005055310B4 - Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten

Info

Publication number: DE102005055310B4
Application number: DE102005055310A
Authority: DE
Inventors: Hubert Hamm; Rolf Haake; Jörg Dr. Borgwardt; Wolf-Dietrich Dr. Wunderlich
Original assignee: Individual
Current assignee: Ecoenergy Patent GmbH
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: DE102005055310A1

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten als komplexes Energie-Wasser- und Nährstoffnutzung–System, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte Anwendung finden:
– Abtrennen der Feststoffe (Rohfaser) aus den flüssigen Gärresten mittels Dekantern, Separatoren oder Filtereinrichtungen
– Nachvergärung des flüssigen Gärrestes in anaeroben Festbettreaktoren zur weiteren Biogasgewinnung und zum C-Abbau
– Nachbehandlung des Ablaufes der anaeroben Festbettreaktoren mittels aerober Tricklingsfilter (14) zum weiteren C-Abbau
– Nachfolgender Abbau von N-Substraten über eine kombinierte anaerob-anaerob-Stufe
– Abtrennung der Restbiomasse über Ultrafiltrationsmodule
– Abtrennung der niedermolekularen Bestandteile durch Umkehrosmose
– Nachreinigung des Wassers zum Rückhalt von Restverunreinigungen durch Aktivkohle und/oder Ionenaustausch und/oder Zeolithe
– Dosierung geeigneter Mineralsalzlösungen oder Überleiten über oder durch eine Mineralienmischung zur Mineralisierung des Wassers zur Fischaufzucht oder Viehtränke
– Desinfektion des Wassers, insbesondere mit UV, Ozon oder Tetrachlordecaoxid(TCDO)-Zusätzen
– Nutzung der Abwärme der Membranfiltrationsverfahren (UF und UO) für Aquakultur in dem erzeugten Wasser...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten aus Biogasanlagen, Flüssiggülle, organisch belasteten Abwässern u. a. durch Verknüpfung mehrerer Verfahrensprozessketten zu komplexen Kreislaufsystemen.
Bekannt sind verschiedene Lösungen zur Nutzung von Gärresten, Gülle und organisch belasteten Abwässern zur Gewinnung von Biogas, Düngemitteln und Zusätzen für die Baustoffindustrie, sowie auch Wasser verschiedener Reinheit, z. B. Brauchwasser für Stallungen o. ä..
Aus der DE 196 133 97 C2 ist ein Verfahren zum biologischen Reinigen von Abwasser bekannt, wo vor einem aeroben biologischen Reinigungsschritt eine quantitative Abtrennung ungelöster Stoffe mit Hilfe eines Membranverfahrens erfolgt. Das angegebene Membranverfahren kann ein- oder mehrstufig sein.
In der DE 198 29 799 A1 wird ein Verfahren zur stofflichen Verwertung von ammoniumhaltigen Abwässern, insbesondere Gülle, dargestellt. Das Verfahren wird durch die Schritte : Abtrennung der Feststoffe durch Ultrafiltration, Aufkonzentrierung des feststofffreien ammoniumhaltigen Abwassers zu einem wässrigen Konzentrat unter gleichzeitiger Gewinnung von im wesentlichen ammoniumfreiem Reinwasser durch Umkehrosmose, Fällung von Ammonium als Magnesiumammoniumphosphat und Abtrennung des genannten zur Gewinnung von im wesentlichen ammoniumfreien Restkonzentrat, gekennzeichnet.
Bekannt ist aus der DE 10 2004 030 482 A1 ein Verfahren zur Aufbereitung von Abwässern aus der Bearbeitung und Aufbereitung von organischen Abfällen, insbesondere von Gülle, mit einem Biogasfermenter, wo mit anschließender Ultrafiltration und Umkehrosmose ein bei der Ultrafiltration abgetrennter Schwebtrub direkt in den Biogasfermenter rückgeführt wird und sich dadurch der Anteil der Methanbakterien im Biogasfermenter erhöht und die Gasausbeute steigt.
In der DE 102 05 950 A1 wird ein Verfahren zur Behandlung von Abwässern unterschiedlicher Herkunft beschrieben, dessen Arbeitsschritte im einzelnen nach dem Stand der Technik bekannt sind, aber die Reihenfolge der Arbeitsschritte exakt eingehalten werden muss, um Abwasser und Gärreste für das gewünschte Ergebnis aufzubereiten.
Alle diese bekannten Lösungen sind darauf gerichtet, einzelne Bestandteile, die in Gärresten enthalten sind, zu verwerten.
Ziel ist entweder die Gewinnung von Biogas, die Gewinnung von Düngemitteln verschiedener Zusammensetzung, z. B. als MAP-Dünger, N-Dünger, K-Dünger in flüssiger oder fester Form oder die Verwendung der Inhaltsstoffe für technische Zwecke, z. B. als Zusatzstoff für die Bauindustrie.
Der flüssige Bestandteil der verarbeiteten Gärreste wird in verschiedenen Reinheitsgraden dem Abwasser zugeführt oder auch als Brauchwasser für Ställe oder Anlagen genutzt.
Es werden also nur Teillösungen aufgezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das alle Bestandteile und Energieinhalte im komplexen Zusammenhang einer Nutzung der beinhalteten thermischen und elektrischen Energie, der stofflichen Verwertung/Abbau der Inhaltsstoffe und der Wassernutzung für hochwertige Zwecke, z. B. Aquakulturen ermöglicht.
Es erfolgt eine komplexe Nutzung der Inhaltsstoffe, der Energie und des Wassers als modulares Gesamtsystem.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht aus einem komplexen System eines Kreislaufes zur Aufbereitung und Verwertung der Gärreste aus Biogasanlagen zur Nutzung von Überschusswasser und Energie für die Aufzucht von Fischkulturen bei Maximierung der Gesamtenergieausbeute durch Anaerobfilter und den gezielten weiterführenden Abbau von C- und N-Substanzen durch Aerobfilter bei gleichzeitiger Nutzung des anfallenden CO₂ und Reststickstoffs der Umkehrosmosekonzentrate für Algenkulturen.
In einer Biogasanlage wird aus einer Mischung von Gülle und nachwachsenden Rohstoffen oder ausschließlich aus nachwachsenden Rohstoffen wie Energiepflanzen oder/und Lebensmittelabfällen und/oder anderen vergärbaren Materialien Biogas gewonnen, das mittels Blockheizkraftwerk (BHKW) in Elektroenergie und thermische Energie umgewandelt wird. Zusätzliche Energiegewinnung erfolgt durch Nutzung der Niedertemperaturabwärme (> 80°) durch Wärme-Strom-Kraft-Transformation.
Die thermische Energie wird zur Wärmeversorgung externer Abnehmer verwendet oder über Wärmetauscher in den Wasserkreislauf der Anlage eingespeist.
Der flüssige Biogas-Ablauf wird zur Abtrennung der Feststoffe mittels Pressschneckenseparatoren oder Dekanter separiert.
Der anfallende Festmist wird aus dem Kreislauf ausgeschleust. Die Flüssigphase wird in einem Anaerobfilter zur Gewinnung zusätzlichen Biogases behandelt, wobei die anfallende Flüssigphase in nachgeschalteten Tricklingsfiltern (Aerob-Festkörper) einen weiteren C- und N-Abbau unterworfen wird.
Das die Tricklingsfilter verlassende Rohwasser ist weitgehend von C- und N-Substanzen befreit.
Zur weiteren Aufbereitung wird dieses Rohwasser mittels Ultrafiltration und Umkehrosmose zu Reinwasser weiter verarbeitet.
Dieses Reinwasser wird einer Nachreinigung und Desinfektion unterworfen und kann dann zur Fischzucht Verwendung finden.
Das in der Fischzucht anfallende Abwasser wird aerob über Tricklingsfilter und der UF/UO-Anlage recycelt. Die Schlachtabfälle werden zur weiteren Nutzung dem Biogasprozess zugeführt.
Teile des Reinwassers werden nach erfolgter Nachbehandlung als Wasser für die Viehtränke oder als Brauchwasser für Stallungen oder als Kühlwasser für das BHKW, ggf. auch als Verregnungswasser, verwendet.
Die bei der Ultrafiltration und Umkehrosmose anfallenden Konzentrate können als Düngekonzentrate Verwendung finden. Das bei der Biogas-Reinigung gewonnene CO₂ wird in Algenfermentern zusammen mit den Nährstoffen aus dem UO-Konzentrat zu Algenmasse umgewandelt, die nach Konzentrierung und weiterer Aufarbeitung der Fischzuchtanlage als Fischfutter zugeführt wird.
Diese dargelegte Behandlung und Verarbeitung der Gärreste und der Gülle ergibt einen Energie- und Wassernutzungs-Kreislauf, durch den die maximale Ausnutzung der Inhaltsstoffe erreicht wird.
Durch die modulare Gestaltung können die Verfahrensschritte den betrieblichen Erfordernissen angepasst werden.
Nicht zwingend ist, dass die genannten Verfahrens- und Bearbeitungsschritte alle und in der genannten Reihenfolge ablaufen müssen.
Die Prozesskette kann so den geforderten Bedingungen angepasst werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert
1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer Biogasanlage 01 wird aus einer Mischung von Gülle 1a und nachwachsenden Rohstoffen in Form von Maissilage und Grassilage 1b wie Roggen und Fischabfall 1c mittels mesophiler Fermentation Biogas 02 gewonnen, das mittels BHKW 03 in Elektroenergie 04 und thermische Energie 05 umgewandelt wird. Zusätzliche Energiegewinnung erfolgt in einem Energiemodul 06 durch Nutzung der Niedertemperaturabwärme (> 80°) durch Wärme-Strom-Transformation.
Die thermische Energie 05 wird über einen Wärmeaustauscher 07 eines zur Wärmeversorgung externen Abnehmers 08 (Molkerei) verwendet oder über Wärmeaustauscher 07 in den Wasserkreislauf der Anlage eingespeist.
Der flüssige Biogas-Ablauf 09 wird zur Abtrennung der Feststoffe mittels Separatoren, z. B. eines Pressschneckenseparators 10, separiert.
Der anfallende Festmist 11 wird aus dem Kreislauf ausgeschleust und kann als Festdünger Verwendung finden.
Die Flüssigphase wird in einem Anaerobfilter 12 zur Gewinnung zusätzlichen Biogases 13 und zum Abbau von C-Substanzen behandelt, wobei die anfallende Flüssigphase nach Klärung in einem Claryfier in nachgeschalteten Tricklingsfilter 14 (Aerob-Festkörper) einem weiteren C- und N-Abbau unterworfen wird.
Das die Tricklingsfilter 14 verlassende Rohwasser ist weitgehend von C- und N-Substanzen befreit, es enthält noch 50 mg BSB und 250 mg Ammonium-Stickstoff.
Zur weiteren Aufbereitung wird dieses Rohwasser mittels Ultrafiltration 15 und Umkehrosmose 16 zu Reinwasser 17 weiter verarbeitet. Dieses Reinwasser 17 kann nach weiterer Nachreinigung 18 und Desinfektion 19 durch UV-Behandlung zur Fischzucht 20 Verwendung finden. Damit kann das aus dem Gärrest gewonnene Wasser im Kreislauf genutzt werden.
Das in der Fischzucht anfallende Abwasser wird in einer aeroben Wasserreinigung 21 und in einem 4-stufigen Tricklingsfilter 14, wobei in den ersten beiden Stufen ein C-Abbau und in der 3. und 4. Stufe Stickstoffabbau erfolgt. Dieses Wasser wird in der UF-Anlage 15 und in der UO-Anlage 16 recycelt.
Die Schlachtabfälle 1c werden zur weiteren Nutzung als Biogasquelle der Biogasanlage 1 zugeführt. Teile des Reinwassers 17 werden nach erfolgter Nachbehandlung als Brauchwasser 23 für Stallungen oder Kühlwasser 24 für das BHKW 3, und auch als Brauchwasser 23 für die Algenkultur 25 verwendet.
Die bei der Ultrafiltration 15 und Umkehrosmose 16 anfallenden UF-Konzentrate 26 sowie UO-Konzentrate 27 können als Düngekonzentrate 28 Verwendung finden. Das bei der Biogas-Reinigung 29 gewonnene CO₂ 30 wird im Gemisch mit Nährstoffkomponenten 31 aus dem UO-Konzentrat 27 in eine Algenkultur 25 zu einer Algenmasse 32 umgewandelt, die nach Konzentrierung durch Ultrafiltration 33 zu Algenkonzentrat 34, Trocknung 35 und Pelletierung 36 zu Algenpellets 37 der Fischzuchtanlage 20 als Fischfutter 38 zugeführt wird.

01: Biogasanlage
1a: Gülle
1b: Silage
1c: Fischabfälle
02: Biogas
03: BHKW
04: Elektroenergie
05: Thermische Energie
06: Energiemodul
07: Wärmetauscher
08: Abnehmer (Molkerei)
09: Biogasablauf
10: Pressschneckenseparator
11: Festmist
12: Anaerobfilter
13: Biogas, zusätzlich
14: Tricklingsfilter
15: Ultrafiltration
16: Umkehrosmose
17: Reinwasser
18: Nachreinigung
19: Desinfektion
20: UV-Behandlung
21: Wasserreinigung
22: Viehtränke
23: Brauchwasser für Stallungen
24: Kühlwasser
25: Algenkultur
26: UF-Konzentrat
27: UO-Konzentrat
28: Düngekonzentrat
29: Biogas-Reinigung
30: Kohlendioxid (CO²)
31: Gemisch mit Nährstoffkomponenten
32: Algenmasse
33: Ultrafiltration
34: Algenkonzentrat
35: Trocknung
36: Pelletierung
37: Algenpellets
38: Fischfutter

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten als komplexes Energie-Wasser- und Nährstoffnutzung–System, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte Anwendung finden: – Abtrennen der Feststoffe (Rohfaser) aus den flüssigen Gärresten mittels Dekantern, Separatoren oder Filtereinrichtungen – Nachvergärung des flüssigen Gärrestes in anaeroben Festbettreaktoren zur weiteren Biogasgewinnung und zum C-Abbau – Nachbehandlung des Ablaufes der anaeroben Festbettreaktoren mittels aerober Tricklingsfilter (14) zum weiteren C-Abbau – Nachfolgender Abbau von N-Substraten über eine kombinierte anaerob-anaerob-Stufe – Abtrennung der Restbiomasse über Ultrafiltrationsmodule – Abtrennung der niedermolekularen Bestandteile durch Umkehrosmose – Nachreinigung des Wassers zum Rückhalt von Restverunreinigungen durch Aktivkohle und/oder Ionenaustausch und/oder Zeolithe – Dosierung geeigneter Mineralsalzlösungen oder Überleiten über oder durch eine Mineralienmischung zur Mineralisierung des Wassers zur Fischaufzucht oder Viehtränke – Desinfektion des Wassers, insbesondere mit UV, Ozon oder Tetrachlordecaoxid(TCDO)-Zusätzen – Nutzung der Abwärme der Membranfiltrationsverfahren (UF und UO) für Aquakultur in dem erzeugten Wasser – Nutzung von UO-Konzentraten für Algenkultur als Futtergrundlage für die Aquakultur – Aufkonzentrierung der Algenkultur durch Ultrafiltration zu Algenkonzentraten als Grundlage für Fischfutter – Gewinnung des notwendigen CO₂ für Algenkulturen aus der Rauchgaswäsche des BHKW und/oder der Biogasreinigung – Nutzung der Niedertemperatur-Abwärme aus dem den BHKW über Wärme-Strom-Transformation.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Biomassefermentation separiert (10) wird, dabei die Feststoffe als Festmist (11) abgeschieden und der flüssige Rückstand über eine weitere Gärstufe (12) anaerob abgebaut, danach die Restflüssigkeit über aerobe Tricklingsfilter (14) durch Abbau von C- und N-Substraten vorgereinigt und das so entstehende Rohwasser über eine Kombination Ultrafiltration (15) und ein- oder zweistufige Umkehrosmoseanlage (16) zu Reinwasser (17) und Düngekonzentrat (28) aufbereitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorher angeführten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinwasser in der Fischaufzucht oder als Brauchwasser angewendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem BHKW (03) anfallende Wärmemenge über ein Energiesparmodul (06) zusätzlich teilweise in Elektroenergie (04) umgewandelt wird.