DE102005061039A1

DE102005061039A1 - Verfahren zur Biogaserzeugung und Gärbehälter dafür

Info

Publication number: DE102005061039A1
Application number: DE102005061039A
Authority: DE
Inventors: Peter Eggers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biogaserzeugung in einem Gärbehälter, in dem vergärbare Biomasse bewegt wird, sich eine Schwimmschicht auf der Biomasse bildet und entstehendes Biogas aufgefangen wird, wobei die Schwimmschicht in eine im wesentlichen stetige, laterale Bewegung in einer Richtung entlang des Gärbehälters gebracht wird, wobei am Ende des Gärbehälters die Schwimmschicht aufgelöst wird. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung einen Gärbehälter zur Biogaserzeugung mit einem Boden (10), Seitenwänden (11, 12, 13, 14) und einer gasdichten Abdeckung (15), wobei im Behälter (1) vergärbare Biomasse (M) bewegt wird, sich eine Schwimmschicht (S) bildet und entstehendes Biogas aufgefangen wird, wobei der Gärbehälter (1) langgestreckte Form hat, wobei die beiden Begrenzungslinien in Längsrichtung im Bereich der Schwimmschicht (S), also der Oberfläche der Biomasse (M), im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biogaserzeugung in einem Gärbehälter, in dem vergärbare Biomasse bewegt wird, sich eine Schwimmschicht auf der Biomasse bildet und entstehendes Biogas aufgefangen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Gärbehälter zur Biogaserzeugung mit einem Boden, Seitenwänden und einer gasdichten Abdeckung, wobei im Behälter vergärbare Biomasse bewegt wird, sich eine Schwimmschicht bildet und entstehendes Biogas aufgefangen wird.

Biogasanlagen sind in vielfältiger Ausgestaltung im Stand der Technik bekannt. Grundlage jeder Biogasanlage ist ein Gärbehälter, in dem die zu vergärenden Stoffe eingebracht werden und das Biogas erzeugt wird. Diese auch Biogasfermenter genannten Behälter weisen meist stehende zylindrische Form auf, typischerweise mit einem Durchmesser von 15 bis 25 m und einer Höhe von ca. 5 m bzw. bei sog. Hochbehältern auch bis 15 oder 20 m. Um die statischen Lasten aufzunehmen und in den Boden zu leiten besteht die Bodenplatte und meist auch die zylindrische Außenwand aus Beton. Im Stand der Technik sind auch Blechbehälter bekannt, die auf ihrer Innenseite eine emaillierte Oberfläche oder aus rostgeschütztem Stahl, insbesondere V4A, gebildet sind.

Die üblichen Betonbehälter sind jedoch für das Beinhalten eines Biogasfermenters ungeeignet. Der Beton weist eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass gesonderte Wärmedämmmaßnahmen erforderlich sind, um die erforderliche Beheizung des Fermenterraumes wirtschaftlich durchführen zu können. Ferner ist die Betonoberfläche für einen direkten Kontakt mit den zu vergärenden Stoffen im Innenraum und insbesondere im oberen Teil des Behälters ungeeignet. Die Betonbehälter sind daher auf der Innenseite häufig beschichtet, mit Folien ausgelegt oder mit korrosionsgeschützten Blechplatten belegt. Auch bei einem monolithisch vor Ort gegossenen Betonbehälter erfolgt nach einigen Jahren im Bereich des Gärgutes eine Zerstörung der Betonoberfläche und damit eine Zersetzung der Baustruktur. Diese wird durch in der Stahlarmierung induzierte galvanische Ströme unterstützt. Im oberen Teil des Betonbehälters (im Gasraum) ist eine Abschirmung der Betonoberfläche, beispielsweise durch Kunststoffplatten unumgänglich.

Der Betonbehälter wird oberseitig häufig von einem Tragluftdach abgeschlossen, unter dem eine gasdichte PE-Folie aufwölbbar, beispielsweise auf einer Holzdeckenkonstruktion aufliegt, um einen variablen Gasspeicherraum oberhalb der Gärstoffe bereitzustellen.

In den bekannten Fermentern ist zur Homogenisierung der Biomasse für den Gärprozess ein Umrühren und Bewegen der Biomasse erforderlich. Rührwerke sind in unterschiedlichster Ausgestaltung im Stand der Technik bekannt. Es gibt langsam drehende Paddelrührwerke, die meist um eine radial zum zylindrischen Gärbehälter angeordnete Drehachse rotieren. Ferner sind Tauchmotorrührwerke bekannt, die mit einem Propeller ähnlich einer Schiffsschraube einen stärkeren Strömungsimpuls auf die Biomasse übertragen. Die Tauchmotorrührwerke lassen sich um ihre senkrecht angeordnete Haltewelle verschwenken, um verschiedene Bereiche im Gärbehälter zu durchmischen.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren zur Biogaserzeugung in den vorangehend beschriebenen Gärbehältern ist, dass die für den gesamten Gärprozess und somit die für die Auslösung von Biogas erforderliche Umwälzung der Biomasse im Widerspruch steht mit der bevorzugt geschlossen und über einen längeren Zeitraum ungestörten Ausbildung einer Schwimmschicht auf der Biomasse. In den bekannten Fermentern wird in der Regel intermittierend gerührt und dabei im wesentlichen die gesamte Schwimmschicht zerstört. In der Folge führt dies zwar zu einer vermehrten Auslösung von Biogas, damit einhergehend jedoch auch zu einer konzentrierten Abgabe von Schwefelwasserstoff als Bestandteil des Biogases. Nachteilig ist dabei, dass sich die zur biologischen Entschwefelung wirksame Schwimmschicht auf der Biomasse erst wieder neu bilden muss, so dass eine Verminderung des Schwefelwasserstoffgehalts durch Oxidation in diesen Zeiträumen nicht erfolgt. Ferner ist nachteilig, dass bei den bekannten Gärbehältern ein erheblicher Kostenaufwand für die Bausubstanz erforderlich ist.

Ferner sind in der Landwirtschaft sog. Güllelagunen bekannt, die zur zeitweisen Lagerung von Gülle dienen, insbesondere für die Wintermonate, in denen das Ausbringen der Gülle auf die Böden nicht oder nur eingeschränkt erlaubt ist. Derartige Güllelagunen bestehen aus einer durch Erdaushub im Boden eingebrachten Grube mit meist rechteckigem oder quadratischem Grundriss. Der beim Aushub der Grube anstehende Erdaushub wird meist in Form von einem die Grube umgebenden Erdwall aufgeschüttet. Die so gebildete Grube wird mit Folie ausgeschlagen, um ein flüssigkeitdichtes Behältnis zur Zwischenlagerung von Gülle bereitzustellen.

Ausgehend von den bekannten Verfahren zur Biogaserzeugung und den bekannten Gärbehältern ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen darauf abgestimmten Gärbehälter anzugeben, in denen eine im wesentlichen gleichmäßige Biogasabgabe erfolgt und eine möglichst effektive biologische Entschwefelung erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Gärbehälter gemäß Anspruch 8 gelöst.

Dadurch, dass die Schwimmschicht in eine im wesentlichen stetige, laterale Bewegung in einer Richtung entlang des Gärbehälters gebracht wird, wobei am Ende des Gärbehälters die Schwimmschicht aufgelöst wird, kann sich eine Schwimmschicht als Siedlungsfläche für die zur Biogaserzeugung erforderlichen Bakterien ungestört bilden, wobei erst am Ende des Gärbehälters die Schwimmschicht aufgelöst wird. Im Bereich der geschlossenen Schwimmdecke erfolgt aufgrund der Abdeckfunktion der Schwimmschicht eine bekanntermaßen verminderte Biogas- und Schwefelwasserstoffabgabe. Die große geschlossene Schwimmdecke erlaubt jedoch stets eine Oxidation des Schwefelwasserstoffs, so dass eine gleichmäßige Absenkung des Schwefelwasserstoffgehalts im Reingas erreicht wird. Im Bereich der Schwimmschichtauflösung wird hingegen vermehrt Biogas und zwangsläufig auch vermehrt Schwefelwasserstoff freigesetzt. Da dieser Vorgang jedoch verfahrensgemäß im wesentlichen kontinuierlich erfolgt, sind die Biogaserzeugung und die Konzentration des Schwefelwasserstoffes im wesentlichen konstant, wobei durch die ergänzenden biologischen Reaktionen auf der Schwimmschicht der Schwefelwasserstoffgehalt insgesamt niedrig gehalten wird, so dass eine externe Entschwefelung des erzeugten Biogases nicht erforderlich ist.

Wenn zur Erzeugung der im wesentlichen stetigen lateralen Bewegung der Schwimmschicht die darunterliegenden flüssigeren Fraktionen der Biomasse in eine oder mehrere walzenartige Strömungsbahnen versetzt werden, wird der zur Homogenisierung der Biomasse erforderliche Energieeintrag zum Vorantreiben der Schwimmschicht in die vorgesehene Richtung verwendet. Bevorzugt dreht sich die Strömungsbahn um horizontale und im wesentlichen senkrecht zur lateralen Bewegungsrichtung orientierte Achsen, womit sich quasi ein „Antrieb" der Schwimmschicht durch die entlang der Strömungsbahn zirkulierenden flüssigeren Fraktionen der Biomasse in Art eines „Förderbandes" ergibt.

Wenn die Auflösung der Schwimmschicht strömungsinduziert erfolgt, wird gleichzeitig eine erwünschte Durchmischung der aufgelösten Schwimmschichtfraktionen in der übrigen flüssigeren Fraktion der Biomasse unterhalb der Schwimmschicht unterstützt. Dabei sollte die Strömung zur Auflösung der Schwimmschicht turbulent sein.

Eine intermittierend erzeugte Turbulenzströmung zur Auflösung der Schwimmschicht unterstützt einerseits das Aufbrechen der Schwimmschicht durch die kräftige, turbulente Strömung und ermöglicht andererseits eine Verminderung des Gesamtenergieeintrags, was der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zugute kommt. In den Strömungspausen können somit ungestört von den turbulenten Strömungen die aufgelösten und durchmischten Partikel von der im wesentlichen stetigen lateralen Bewegung (Rücktransport) erfasst werden.

Deshalb ist es bevorzugt, dass zur Aufrechterhaltung der im wesentlichen stetigen lateralen Bewegung eine fortwährende Zirkulation der flüssigen Fraktionen der Biomasse auf den Strömungsbahnen erfolgt.

Dadurch, dass der Gärbehälter langgestreckte Form hat, wobei die beiden Begrenzungslinien in Längsrichtung im Bereich der Schwimmschicht, also der Oberfläche der Biomasse im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wird eine sich im wesentlichen stetig und lateral in einer Richtung entlang des Gärbehälters bewegende Schwimmschicht konstruktiv ermöglicht. Die Schwimmschicht, die aufgrund ihrer Eigenstruktur eine gewisse Festigkeit aufweist, kann ohne einen größeren Reibungswiderstand entlang der im wesentlichen parallel ausgerichteten Begrenzungslinien bewegt werden. Durch Auflösung der Schwimmschicht am stromabwärtigen Ende des langgestreckten Gärbehälters wird quasi Platz geschaffen zum weiteren lateralen Vorbewegen der Schwimmschicht, die dann immer wieder am Ende des Gärbehälters aufgelöst wird. Wenn die Begrenzungslinien in Strömungsrichtung der Schwimmschicht leicht divergent auseinanderlaufen, wird einem Verklemmen der anwachsenden Schwimmschicht zwischen seinen Begrenzungslinien noch weiter vorgebeugt.

Wenn der Gärbehälter einen Querschnitt quer zur Längserstreckung, bei dem die Behälterbreite von unten nach oben zunimmt, der Querschnitt insbesondere Trapezform hat, wird die sich an der Oberfläche ausbildende Schwimmschicht zu den Randbereichen dünner, da darunter weniger Biomasse angeordnet ist als im Mittenbereich. Vorteilhaft kann damit die Schwimmschicht leichter lateral in Längsrichtung des Behälters bewegt werden. Die Anhaft- und Reibungskräfte, die einer derartigen Bewegung entgegenstehen, sind durch die am Rand dünner auslaufende Schwimmschicht deutlich verringert. Gleichzeitig ergibt sich dabei der Vorteil, dass ein Auflösen der Schwimmschicht am Ende des Gärbehälters ebenfalls erleichtert wird, da durch turbulente Strömungsimpulse ein Ausreißen, Verdriften, Übereinanderstapeln und in den Untergrund Ziehen durch die geringeren Anhangskräfte der Schwimmschicht an den Behälterseitenwänden erleichtert wird. Weiter ist vorteilhaft, dass die Oberfläche im Vergleich zum Behältervolumen zunimmt, also die Schwimmschicht bei gleichem Biomassevolumen größer ist, wodurch die erwünschten biologischen Reaktionen zur Verminderung des Schwefelwasserstoffgehalts großflächig genutzt werden können.

Um eine ausreichende Einwirkzeit der Bakterien auf der als Siedlungsfläche sich bildenden Schwimmschicht zu ermöglichen, weist der Gärbehälter im Vergleich zur Breite eine 2- bis 10-fache, bevorzugt 3- bis 5-fache Länge auf. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass eine stark langgestreckte Form zwar eine lange Einwirkstrecke für die Schwimmschicht ermöglicht, andererseits durch die langgestreckte Form einen höheren Bauaufwand und eine größere Umhüllungsfläche erzeugt, die zur Gewährleistung der gewünschten erhöhten Gärtemperatur eine entsprechend ausreichende Wärmedämmung aufweisen muss.

Dadurch, dass die Seitenwände und der Boden durch Erdaushub und/oder Erdanschüttung gebildet sind, wobei die Innenseite des sich bildenden Beckens mit einer ersten Folie ausgekleidet ist, wird der Gärbehälter als kostengünstig zu erstellende Erdgrube mit einer einfachen Folienauskleidung, so wie dies im Bereich der sog. Güllelagunen bekannt ist, bereitgestellt.

Wenn am oberen Rand der aus Erdaushub und/oder Erdanschüttung gebildeten Seitenwände eine Rinnennut angeordnet ist, in die die erste Folie des Behälters sowie eine zweite Folie für die Abdeckung, bevorzugt mit einem in der Rinnennut eingelegten, aufdehnbaren Schlauch, öffenbar eingedichtet sind, wird eine kostengünstige Möglichkeit zur gasdichten Verbindung von Abdeckung und unterem Behälterteil erreicht. Die Ausbildung der Verbindung als Rinnennut mit einem eingelegten, aufdehnbaren Schlauch ist unempfindlich für den rauen Alltagseinsatz und erlaubt einen schnellen Zugriff in den Gärbehälter, beispielsweise für Revisions- oder Störfalltätigkeiten.

Dadurch, dass auf dem oder nahe am Boden in Längsrichtung des Behälters wenigstens ein Strömungskanal vorgesehen ist, wobei im oder unmittelbar vor oder hinter dem Strömungskanal wenigstens ein erstes Strömungserzeugungsmittel angeordnet ist, wird eine gerichtete Rückströmung zur erfindungsgemäß erforderlichen Strömungsbewegung unterhalb der Schwimmschicht in Richtung der lateralen Bewegung ermöglicht. Mit dem Strömungskanal wird quasi die Rückströmung kanalisiert, so dass im Gärbehälter eine Strömungsbahn durch den Strömungskanal als Rückstrom und im übrigen Querschnitt des Gärbehälters, insbesondere nahe der Oberfläche der erforderliche Hinstrom zur Erzeugung der im wesentlichen stetigen, lateralen Bewegung der Schwimmschicht bereitgestellt wird. Selbstverständlich können auch zwei oder mehrere Strömungskanäle nebeneinander am Boden des Behälters, beispielsweise bei Kanälen mit geringerem Querschnitt oder Gärbehältern mit großer Breite angeordnet werden. Dann ist es erforderlich, dass jeder Strömungskanal auch ein erstes Strömungserzeugungsmittel aufweist. Weiter ist es denkbar, dass je Strömungskanal auch zwei oder mehr Strömungserzeugungsmittel vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist der Strömungskanal ein Rohr, um Fehlströmungen und Strömungskurzschlüsse zu vermeiden. Für das Milieu innerhalb der Biomasse im Gärbehälter sind Kanalbetonsegmente geeignet. Diese sind auch insbesondere aus Kostengründen und für eine einfache Handhabung, nämlich dem segmentweisen Einbau bzw. Ausbau bevorzugt.

Wenn zur Auflösung der Schwimmschicht am hinsichtlich der Oberfläche stromabwärtigen Ende des Behälters ein zweites Strömungserzeugungsmittel vorgesehen ist, wird ein Mittel zur strömungsinduzierten Auflösung der Schwimmschicht am Ende des Behälters, also am Ende der Lateralbewegung der Schwimmschicht erreicht.

Um einen effektiven und gebündelten Strömungsimpuls auf die Biomasse übertragen zu können, sind Tauchmotoren mit einem Rührwerk vorzuziehen. Für Wartungszwecke kann das Tauchmotorrührwerk aus dem Gärbehälter vollständig herausgenommen werden.

Dies wird ohne Unterbrechung der Biogasproduktion ermöglicht, wenn der Tauchmotor an einem vertikalen Träger geführt ist, und bevorzugt ein Schachtdom oberhalb des Strömungserzeugungsmittels angeordnet ist, in dem das Rührwerk mit Tauchmotor am Träger anhebbar und absenkbar geführt ist.

Um eine besonders effektive Strömungserzeugung im Strömungskanal zu erzeugen und insbesondere Strömungskurzschlüsse zu vermeiden, ist im Strömungskanalrohr im Bereich des Strömungserzeugungsmittels eine Querschnittsverengung vorgesehen, die eine Öffnung aufweist, die nur geringfügig größer als der Durchmesser des Rührwerks ist.

Die turbulente und zielgerichtete Strömung des zweiten Strömungserzeugungsmittels kann besonders effektiv eingesetzt werden, wenn das zweite Strömungserzeugungsmittel drehbar um eine im wesentlichen vertikale Achse angeordnet ist.

Dadurch, dass das zweite Strömungserzeugungsmittel in der oberen Hälfte der Biomasse im Behälter und nahe aber oberhalb des Einlaufs des Strömungskanals angeordnet ist, wird die laterale Vorwärtsbewegung durch die Strömungsimpulsübertragung und die anschließende Auflösung der Schwimmschicht unterstützt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Darin zeigt:
1 eine Draufsicht eines Gärbehälters,
2 einen Schnitt durch den in 1 dargestellten Gärbehälter entlang der Linie II-II und
3 einen Schnitt durch den in 1 dargestellten Gärbehälter entlang der Linie III-III.
In 1 ist in einer Draufsicht ein länglicher Gärbehälter 1 dargestellt. Der Gärbehälter 1 ist in einer Grube in gewachsenen Erdboden B eingebracht, wie dies im Querschnitt in 2 zu erkennen ist. Der Erdaushub der Grube ist in Form einer Erdanschüttung zu einem Ringwall W um den Gärbehälter 1 angeordnet.
Der Gärbehälter 1 weist einen Boden 10 und Seitenwände 11 bis 14 auf, die durch die im Erdboden B erstellte Grube mit angeschüttetem Wall W ausgebildet ist. Dabei haben die Seitenwände 11 bis 14 einen Böschungswinkel, wie er beispielsweise in den 2 und 3 dargestellt ist. Die Seitenwände 11 und 12 bilden die geradlinig ausgebildeten Seitenwände in Längserstreckung des länglichen Gärbehälters 1. In der horizontalen Erstreckung liegen die beiden Seitenwände 11, 12 in Längserstreckung parallel zueinander, wie in 1 in der Draufsicht zu erkennen ist. Mit den beiden Seitenwänden 13, 14 in Breitenerstreckung erhält der Behälter 1 eine im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt rechteckige Flächenerstreckung. Ebenso ist eine halbbogenförmige Ausbildung der Seitenwände 13, 14 des Gärbehälters 1 denkbar.
Der aus Erdhub und/oder Erdanschüttung gebildete Behälter ist aufliegend auf dem Boden 10 und den Seitenwänden 11 bis 14 mit einer ersten Folie 101 zur wasser- und gasdichten Abschirmung des Gärbehälterinhalts ausgelegt. Unter der ersten Folie 101 ist eine Wärmedämmung, beispielsweise aus Styropor, vorgesehen. Bevorzugt besteht die Folie aus einer zweilagigen, in passender Form geschweißten PE-Folie, die eine Zwischenlage in Form von Drainkies oder einer Drainmatte aufweist. Ferner gehört zum Gärbehälter 1 eine gasdichte Abdeckung 15, die beispielsweise aus einer gasdichten, zweiten Folie 151 und einer darüber angeordneten Dachkonstruktion, beispielsweise Tragluftdach 152 besteht.
Am oberen Rand der aus Erdaushub und/oder Erdanschüttung gebildeten Seitenwände 11 bis 14 ist eine ringförmig geschlossene Rinnennut 16 angeordnet. Die Rinnennut 16 ist so ausgebildet, dass sowohl die erste Folie 101 wie auch die zweite Folie 151 darin einlegbar sind und ein gasdichter Verschluss durch Einlegen eines nicht dargestellten, aufdehnbaren Schlauches erreicht werden kann.
Ferner ist in 1 in der Draufsicht ein Strömungskanal 2 dargestellt, der aus einer Vielzahl von aneinandergefügten Kanalbetonsegmenten 21 besteht. Wie in 2 im Querschnitt zu erkennen, bildet der Strömungskanal 2 somit ein in Längserstreckung des Behälters 1 am Boden 10 angeordnetes Rohr 20, durch das Biomasse von einer Einlauföffnung 22 zu einer Auslassöffnung 23 pumpbar ist.
Im Bereich des Strömungskanals 2 und/oder an der Einlauföffnung 22 und/oder Auslauföffnung 23 sind ein oder mehrere Strömungserzeugungsmittel 3 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Strömungserzeugungsmittel 3 an der Einlauföffnung 22 zum Strömungskanal 2 angeordnet. Der Kanal 2 weist eine Querschnittsverengung 24 auf. Das Strömungserzeugungsmittel 3 hat einen Tauchmotor 31 und ein auf der Welle des Tauchmotors 31 sitzendes Rührwerk 32, ähnlich einer Schiffsschraube. Dabei hat eine in der Querschnittsverengung 24 ausgebildete Öffnung einen nur geringfügig größeren Durchmesser als den Durchmesser des Rührwerks 32, so dass bei unmittelbarer Anströmung der Öffnung in der Querschnittsverengung 24 durch das Rührwerk 32 ein intensiver Strömungsimpuls in den Strömungskanal 2 einwirkt, ohne dass Strömungskurzschlüsse die Effektivität mindern könnten. Bevorzugt ist das Tauchmotorrührwerk 31, 32 über einen vertikalen Träger 33 für Wartungszwecke etc. aus dem Gärbehälter 1 herausnehmbar ausgebildet. Dies ist der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellt.
Nahe der Einlauföffnung 22 aber oberhalb dieser ist ein zweites Strömungserzeugungsmittel 4 wiederum mit Tauchmotor 41 und Rührwerk 42 an einem vertikal angeordneten Träger 43 angeordnet. Über den Träger 43 kann das zweite Strömungserzeugungsmittel 4 um die vom Träger 43 definierte vertikale Achse geschwenkt werden. Der Schwenkbereich ist mit Doppelpfeil Z in 1 dargestellt.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise im Gärbehälter 1 zur Biogaserzeugung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die im Gärbehälter oder Fermenter 1 eingefüllte Biomasse M bildet an ihrer Oberfläche eine Schwimmschicht S aus, die wichtige Siedlungsfläche für die biogasentschwefelnden Bakterien ist. Durch das im oder am Strömungskanal 2 angeordnete erste Strömungserzeugungsmittel 3 wird eine Vermischung der Biomasse M für dessen Homogenisierung angeregt und eine Strömungsbahn entsprechend der in 3 eingezeichneten Pfeile X und Y erzeugt. Das erste Strömungserzeugungsmittel 3 drängt die Biomasse durch den Strömungskanal 2 als Rückströmung Y. Es bildet sich somit im übrigen Querschnitt des langgestreckten Gärbehälters 1 eine erwünschte Hinströmung X, die sich auch an der Oberfläche der Biomasse M bemerkbar macht, wie in 3 dargestellt. Durch diese Hinströmung X wird die auf der Oberfläche der Biomasse M ausgebildete Schwimmschicht S in lateraler, im wesentlichen stetiger Bewegung von der in den 1 und 3 links dargestellten Seitenwand 13 zur in den 1 und 3 rechts dargestellten Seitenwand 14 befördert.
Wie in 2 im Querschnitt dargestellt ist, bildet sich auf der Oberfläche der Biomasse M die Schwimmschicht S mit einem Stärkeprofil aus, bei dem im Bereich der Seitenwandböschung der Seitenwände 11 und 12 aufgrund des darunter befindlichen geringeren Biomassevolumens die Schwimmschicht S dünner als in der Mitte ausfällt. Entsprechend sind die Anhangs- und Reibungskräfte, die die relativ steife Schwimmschicht S an ihren Rändern zu den Seitenwände aufbauen kann, vermindert, so dass ein erleichterter, lateraler Vortrieb der Schwimmschicht S ermöglicht wird.
Am stromabwärtigen Ende der Hinströmung X, also im Bereich vor der Seitenwand 14 wird die Schwimmschicht durch eine intermittierende und in seiner Richtung variierende Strömung hervorgerufen vom zweiten Strömungserzeugungsmittel 4 aufgelöst. Die von dem zweiten Strömungserzeugungsmittel 4 eingebrachten Strömungsimpulse zerreissen die Schwimmschicht S aufgrund seiner turbulenten unmittelbaren Anströmung. Neben der in 1 dargestellten Verschwenkung des Tauchmotorrührwerks 41, 42 um Vertikalträger 43 (Doppelpfeil Z) kann auch ein fester oder variabler Anstellwinkel des Tauchmotorrührwerks 41, 42 zur Horizontalen vorgesehen werden.
Durch die kraftvolle Auflösung der Schwimmschicht S vor der stromabwärtigen Seitenwand 14 wird somit kontinuierlich Platz für die durch die laterale Bewegung in Hinströmungsrichtung X nachströmende Schwimmschicht S geschaffen. Die aufgelösten Schwimmschichtpartikel werden unter die Oberfläche gezogen und in Folge der Zirkulation mittels erstem Strömungserzeugungsmittel 3 intensiv mit der übrigen Biomasse M vermischt. Dabei wird das in Bläschen vorliegende Biogas aus der Biomasse M freigesetzt. Dabei wird der Schwefelwasserstoffanteil des Biogases ebenfalls freigesetzt.
Da sowohl die Schwimmschichtbildung, der laterale Transport der Schwimmschicht in Hinströmungsrichtung X wie auch die Auflösung der Schwimmschicht kontinuierlich mit der durch das erste Strömungserzeugungsmittel 3 erzeugten walzenartigen Strömungsbahn erfolgt, wird eine gleichmäßige, im wesentlichen kontinuierlich stattfindende Biogasauslösung mit einem im wesentlichen konstanten Schwefelwasserstoffanteil erreicht. Durch biologische Reaktionen wird der gleichmäßig aus dem Gärsubstrat ausgetragene Schwefelwasserstoff kontinuierlich auf der Schwimmschicht durch die auf dieser als Siedlungsfläche angesiedelten Bakterien biologisch umgewandelt. In der Folge wird ein dauerhaft niedriger Schwefelwasserstoffgehalt im Reingas erreicht.
Die erfindungsgemäße Biogasanlage im vorgenannten Ausführungsbeispiel verbindet einen von den Baukosten her günstigen Gärbehälter mit einem für die Biogasproduktion vorteilhaften Verfahrensablauf. Durch die Ausbildung einer kontinuierlich fortschreitenden Schwimmschicht, die bei der Ausformung des Gärbehälters eine große Oberfläche einnimmt, wird die biologische Verminderung des Schwefelwasserstoffgehalts stetig stark ausgeprägt sein. Externe Entschwefelungsanlagen können somit entfallen. Darüber hinaus können durch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Schwimmschicht auch schwierige Materialien, die in bisher bekannten Gärbehältern nicht oder nur in sehr kleinen Anteilen verarbeitet werden können, effektiv vergärt werden. Dazu gehören beispielsweise Grassilage und/oder Festmist. Die sich bei diesen Materialien ausbildende Schwimmschicht wird beherrschbar.

1: Gärbehälter, Fermenter
10: Boden
101: erste Folie
11: Seitenwand, Längserstreckung
12: Seitenwand, Längserstreckung
13: Seitenwand, Breitenerstreckung
14: Seitenwand, Breitenerstreckung
15: Abdeckung
151: gasdichte zweite Folie
152: Dachkonstruktion, Tragluftdach
16: Rinnennut
2: Strömungskanal
20: Rohr
21: Kanalbetonsegment
22: Einlauföffnung
23: Auslassöffnung
24: Querschnittsverengung
3: erstes Strömungserzeugungsmittel
31: Tauchmotor
32: Rührwerk
33: Träger
4: zweites Strömungserzeugungsmittel
41: Tauchmotor
42: Rührwerk
43: Träger, vertikale Achse
B: Erdboden
M: Biomasse
S: Schwimmschicht
W: Wall
X: Hinströmung
Y: Rückströmung
Z: Schwenkbereich

Claims

Verfahren zur Biogaserzeugung in einem Gärbehälter, in dem vergärbare Biomasse bewegt wird, sich eine Schwimmschicht auf der Biomasse bildet und entstehendes Biogas aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmschicht in eine im wesentlichen stetige, laterale Bewegung in einer Richtung entlang des Gärbehälters gebracht wird, wobei am Ende des Gärbehälters die Schwimmschicht aufgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der im wesentlichen stetigen lateralen Bewegung der Schwimmschicht die darunterliegenden flüssigeren Fraktionen der Biomasse in eine oder mehrere walzenartige Strömungsbahnen versetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbahn sich um horizontale und im wesentlichen senkrecht zur lateralen Bewegungsrichtung orientierte Achsen dreht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung der Schwimmschicht strömungsinduziert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine turbulente Strömung zur Auflösung der Schwimmschicht.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine intermittierend erzeugte Turbulenzströmung zur Auflösung der Schwimmschicht.
Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine fortwährende Zirkulation der flüssigen Fraktionen der Biomasse auf den Strömungsbahnen.
Gärbehälter zur Biogaserzeugung mit einem Boden (10), Seitenwänden (11, 12, 13, 14) und einer gasdichten Abdeckung (15), wobei im Behälter (1) vergärbare Biomasse (M) bewegt wird, sich eine Schwimmschicht (S) bildet und entstehendes Biogas aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärbehälter (1) langgestreckte Form hat, wobei die beiden Begrenzungslinien in Längsrichtung im Bereich der Schwimmschicht (S), also der Oberfläche der Biomasse (M) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Gärbehälter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Querschnitt quer zur Längserstreckung, bei dem die Behälterbreite von unten nach oben zunimmt, der Querschnitt insbesondere Trapezform hat.
Gärbehälter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass er im Vergleich zur Breite eine 2- bis 10-fache, bevorzugt 3- bis 5-fache Länge aufweist.
Gärbehälter nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (11, 12, 13, 14) und der Boden (10) durch Erdaushub und/oder Erdanschüttung gebildet sind, wobei die Innenseite des sich bildenden Beckens mit einer ersten Folie (101) ausgekleidet ist.
Gärbehälter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Rand der aus Erdaushub und/oder Erdanschüttung gebildeten Seitenwände (11, 12, 13, 14) eine Rinnennut (16) angeordnet ist, in die die erste Folie (101) des Behälters (1) sowie eine zweite Folie (151) für die Abdeckung (15), bevorzugt mit einem in der Rinnennut (16) eingelegten, aufdehnbaren Schlauch, öffenbar eingedichtet sind.
Gärbehälter nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem oder nahe am Boden (10) in Längsrichtung des Behälters 11) wenigstens ein Strömungskanal 12) vorgesehen ist, wobei im oder unmittelbar vor oder hinter dem Strömungskanal 12) wenigstens ein erstes Strömungserzeugungsmittel (3) angeordnet ist.
Gärbehälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) ein Rohr (20) ist, bevorzugt gebildet aus mehreren Kanalbetonsegmenten (21).
Gärbehälter nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auflösung der Schwimmschicht (S) am hinsichtlich der Oberfläche stromabwärtigen Ende des Behälters (1) ein zweites Strömungserzeugungsmittel (4) vorgesehen ist.
Gärbehälter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungserzeugungsmittel (3, 4) ein Rührwerk (32, 42) mit einem Tauchmotor (31, 41) aufweisen.
Gärbehälter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchmotor (31, 41) an einem vertikalen Träger (33, 43) geführt ist, und bevorzugt ein Schachtdom oberhalb des Strömungserzeugungsmittels (3, 4) angeordnet ist, in dem das Rührwerk (32, 42) mit Tauchmotor (31, 41) am Träger (33, 43) anhebbar und absenkbar geführt ist.
Gärbehälter nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanalrohr (20) im Bereich des Strömungserzeugungsmittels (3) eine Querschnittsverengung (24) vorgesehen ist, die eine Öffnung aufweist, die nur geringfügig größer als der Durchmesser des Rührwerks (32) ist.
Gärbehälter nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Strömungserzeugungsmittel (4) drehbar um eine im wesentlichen vertikale Achse (43) angeordnet ist.
Gärbehälter nach Anspruch 15, 16, 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Strömungserzeugungsmittel (4) in der oberen Hälfte der Biomasse (M) im Behälter (1) und nahe aber oberhalb des Einlaufs (22) des Strömungskanals (2) angeordnet ist.