-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fermentation von organischen
Feststoffen umfassend einen oder mehrere Feststofffermenter sowie eine
Perkolationsvorrichtung, mittels derer ein Perkolatstrom von oben
in den mindestens einen Feststofffermenter einbringbar und am Fuß des Fermenters abführbar ist,
wobei am Boden des mindestens einen Feststofffermenters eine Drainageschicht
vorgesehen ist.
-
Die
vorliegende Vorrichtung kann insbesondere zur Fermentation von organischen
Feststoffen verwendet werden, wie sie zur Erzeugung von sogenanntem
Biogas, insbesondere Methan, eingesetzt werden. Dabei wird Biomasse
in einem anaeroben Milieu von geeigneten Bakterien unter Bildung
von Biogas zersetzt, wobei sowohl einstufige als auch mehrstufige
Verfahren bekannt sind.
-
Sofern
mehrere Fermenter eingesetzt werden, können diese zeitlich versetzt
zueinander angefahren werden, was bedeutet, dass das Anfahren der einzelnen
Batchprozesse nicht zeitgleich erfolgt. Die Fermenter befinden sich
dadurch in verschiedenen Stadien des Vergärprozesses.
-
Als
organische Feststoffe werden Abfälle und
Materialien bezeichnet, die über
einen für
die Kompostierung bzw. Vergärung
genügend
großen Anteil
biologisch abbaubarer Stoffe verfügen. Das sind z. B. Bioabfälle, Garten-
und Parkabfälle
einschließlich
Grünschnitt,
Klär- und
Fäkalschlämme, Marktabfälle, Abfälle aus
der Lebensmittelverarbeitung sowie Restmüll, der nach der Wertstofftrennung zurückbleibt.
Darüber
hinaus können
auch weitere in der Landwirtschaft erzeugte erneuerbare biologische Materialien,
wie beispielsweise Maishäcksel,
eingesetzt werden.
-
In
der Vergangenheit sind in der Landwirtschaft vor allem Flüssigfermenter
sowie in der Abfallwirtschaft entweder Flüssigfermenter oder Fermenter für pumpfähig gemachte Bioabfälle eingesetzt
worden. Ein solches System ist beispielsweise in der
DE 694 22 542 T2 beschrieben.
Hierbei wird die Biomasse vor der Vergärung zur Erzeugung eines homogenen
pump- und rührfähigen Substrats
aufbereitet. Nachteilig, wie bei allen anderen Verfahren zur Nassfermentation,
ist der hohe Aufwand für
das Erreichen der Pumpfähigkeit
und das Bewegen großer
Materialmengen in verschiedenen Fermentern, der hohe Raumbedarf
und der hohe Aufwand, um das vergorene Material bis zur Verwendung
zu lagern bzw. in einen lagerfähigen
Zustand zu überführen, da
beispielsweise die landwirtschaftliche Ausbringung von flüssigen Düngern strengen
Bestimmungen unterliegt. Darüber
hinaus sind derartige Verfahren vergleichsweise störanfällig, insbesondere
im Hinblick auf Fremdstoffe.
-
Es
ist daher in letzter Zeit zunehmend die Trocken- bzw. Feststofffermentation
in den Fokus getreten. Dies ist insbesondere bei landwirtschaftlichen Betrieben
ohne Viehhaltung, die nachwachsende Rohstoffe vergären wollen,
von Interesse. Hierbei werden vielfach sogenannte "berieselte" Boxenfermenter mit
Verfahren zur Feststofffermentation eingesetzt, wie sie beispielsweise
in der
EP 1 428 868 A1 beschrieben
sind, bei denen eine Fermenterzelle in Form eines Boxenfermenters
von unten nach oben mit Gas durchströmt wird, um die Vergärung zu
fördern.
Problematisch ist hierbei die unsichere Betriebsweise, da eine Verstopfungsgefahr
der Gasdüsen
besteht.
-
Des
Weiteren ist beispielsweise aus der
EP 1 301 583 B1 ein Bioreaktor zur Methanisierung
von Biomasse sowie ein Verfahren zur Feststofffermentation bekannt,
die ebenfalls auf dem Prinzip des Boxenfermenters beruht, wobei
im Boden eine Heizeinrichtung eingebracht ist, um den Fermenter
auf die für
die Mikroorganismen erforderliche Temperatur aufzuheizen.
-
Des
Weiteren ist schließlich
aus der
DE 44 09 487
C2 ein Verfahren zur Feststofffermentation bekannt, das
organisches Material eine aerobe, eine anaerobe und eine Methanphase
durchlaufen lässt, und
die Perkolatverteilung beschreibt. Darüber hinaus ist aus der entsprechenden
Druckschrift vorbekannt, am Boden des Fermenters eine Drainageschicht
vorzusehen.
-
Nachteilig
ist bei einem entsprechenden Verfahren, dass sich die Drainageschicht
verhältnismäßig schnell
durch die organischen Feststoffe zusetzt und so nach kurzer Zeit
eine nicht ausreichende Drainagewirkung verbleibt. Dies gilt insbesondere,
sofern infolge eines großen
Perkolatstroms aus dem Gärsubstrat,
nämlich
dem organischen Feststoffmaterial, Teilchen mitgerissen werden,
die die Drainage verstopfen bzw. die Perkolatableitung so stark
vermindern würden,
dass durch die verringerte Ableitung das Substrat aufschwimmt und
es dann zu Sedimentationsvorgängen
kommt, die die Verstopfungsgefahr weiter erhöhen.
-
Ein
weiteres Fermentationsverfahren mit Boxenfermentern ist beispielsweise
aus der
US 5,268,634 bekannt,
das auf die Zumischung von Impfmaterial, wie es ansonsten zum Starten
von entsprechenden Methanisierungsvorgängen verwendet wird, verzichtet,
wobei hier am Boden der Boxen ein Gitterrost vorgesehen ist, das
ebenfalls für
die bessere Abführbarkeit
des Perkolats Sorge trägt.
Diese Gitter sind jedoch nicht befahrbar, so dass eine Befüllung der
Fermenter mittels Fahrzeugen erschwert ist.
-
Der
Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Fermentation
von organischem Feststoffsubstrat bereitzustellen, der gattungsgemäßen Art,
bei dem auch bei hohen Perkolatströmen ein Zusetzen der Drainageschicht
und damit eine Verminderung der Drainageleistung weitgehend vermieden
werden kann.
-
Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1, wobei oberhalb der Drainageschicht eine Filtrationsschicht vorgesehen
ist.
-
Durch
die Vorsehung einer zusätzlichen
Filtrationsschicht, die oberhalb der Drainageschicht angeordnet
ist und sich somit zwischen Drainageschicht und dem eigentlichen
Substrat befindet, kann verhindert werden, dass es zu einem Eindringen
von Substrat in die Drainageschicht kommt und die Drainageschicht
auf diese Weise zugesetzt wird und somit ihre Drainagewirkung nicht
mehr erfüllen
kann.
-
Eine
entsprechende Drainagewirkung ist dabei insbesondere notwendig,
sofern bei großen
Fermentern, insbesondere Boxenfermentern, wobei hierbei unter Boxenfermentern
garagenartige Boxen verstanden werden, die mit Biomasse, also Substrat befüllt, und
mit Prozesswasser, dem sogenannten Perkolat, berieselt werden. Das
Perkolat fließt
am Fuß der
Boxen zu einem oder mehreren Abläufen und
wird erfasst, gegebenenfalls gespeichert und wieder über das
Gärsubstrat
verrieselt.
-
Dabei
war es im Stand der Technik bekannt, derartige Boxenfermenter dadurch
hinsichtlich der Fermentation zu starten, dass ein Gärrest zugegeben
wird. Dieser Gärrest
muss bei Boxenfermentern teilweise 30 bis 80 oder mehr betragen,
wobei der Gärrest
aus bereits angefaultem Material eines anderen Fermenters besteht
und als Starterkultur dient. Der Rest wird dann mit frischem zu
vergärendem
Material aufgefüllt.
Nachteilig hierbei ist, dass, um eine größere Menge Materials zusätzlich einsetzen
zu können,
entweder die Boxenfermenter sehr groß gestaltet werden müssen oder
aber die Fermentation keine große
Effizienz hinsichtlich der Methanproduktion besitzt. Generell gilt,
dass der Gärrest
umso größer sein
muss, je energiereicher die einzubringende Biomasse ist.
-
Darüber hinaus
stellt die Vermischung von Gärrest
und frischem Material vor dem Einbringen in den Fermenter einen zusätzlichen
Arbeitsschritt dar, der auch aus Sicht des Emissionsschutzes kritisch
zu beurteilen ist.
-
Sofern
jedoch ein Animpfen alleine über
das Perkolat erfolgen soll, ist eine große Perkolationsfähigkeit
von Anfang an notwendig, um eine hohe Methanausbeute zu erreichen
und es muss eine große Menge
Perkolat über
den Boxenfermentern verrieselt werden.
-
Es
ist daher erforderlich, dass ein solcher Perkolatstrom je Fermenter
eingestellt wird, dass in dem Fermenter entstehende Säuren mit
dem Perkolatstrom zumindest teilweise ausgeschwemmt werden und der
Perkolatstrom eine solche Beladung mit Mikroorganismen aufweist,
dass er zum Starten der Fermentation in einem neu angesetzten Fermenter einsetzbar
ist. Die Ausschwemmung erfolgt dabei derart, dass keine Versauerung
der Fermenter auftritt. Unter Versauerung ist dabei zu verstehen,
dass aufgrund der vorliegenden Säuren
eine weitere Vergärung
nicht stattfindet. Aufgrund des dabei eingesetzten hohen Perkolatstroms
ist eine gute Abführung
erforderlich, da sich ansonsten bei einer Perkolationsfähigkeit
in Höhe
von ca. 1 cm/min der Rückfluss
des Perkolats am Fuße
des Fermenters bei den üblichen
Längen
von Boxenfermentern von 10 bis 30 m ca. 50 h hinziehen würde, was
die weitere Berieselung verhindert bzw. das Substrat aufschwimmen
lassen würde.
Die Messung erfolgt dabei mittels eines Permeameters (Guelph Permeameter
der Fa. Soilmoisture Equipment Corp., Santa Barbara, USA).
-
Daher
ist eine Drainage am Fuße
der Fermenter notwendig, um eine besonders gute Abführung des
Perkolats zu erreichen. Sofern Lochboden am Fuße des Substrats eingesetzt
wird, besteht hier bei Boxenfermentern das Problem, dass diese zum einen
leicht verstopfen und zum anderen durch den darunter vorzusehenden
Hohlraum ein unnötig
großes
Fermentervolumen. bedingen. Ferner ist ein derartiger Lochboden
mit Radladern oder vergleichbaren Fahrzeugen nicht befahrbar, wobei
dies für
Boxenfermenter einen großen
Nachteil darstellt, da diese in der Regel von vorne ähnlich wie
Garagen mit derartigen Fahrzeugen befüllt werden. Kann jedoch aus
diesen Gründen
nur eine geringe Perkolatmenge verrieselt werden, kann die Fermentation
nur sehr langsam eingeleitet werden, was wiederum große Fermentationsvolumina
bedingt.
-
Es
kann dabei vorteilhaft sein, dass die Drainageschicht aus dem gleichen
Material wie die Filtrationsschicht besteht. Grundsätzlich können jedoch auch
verschiedene Materialien oder verschiedene Spezifikationen eines
Materials eingesetzt werden. Dabei soll die Filtrationsschicht insbesondere
aus einem Material bestehen, ebenso die Drainageschicht, das eine
Befahrbarkeit mit Fahrzeugen zur Beladung der Fermenter möglich ist.
Gleichzeitig soll vorgesehen sein, dass es nicht zu einer übermäßigen Verdichtung
sowohl der Drainageschicht als auch der Filtrationsschicht kommt,
wobei unter einer übermäßigen Verdichtung
zu verstehen ist, dass eine oder beide der Schichten ihre erfindungsgemäße Funktion nicht
mehr vornehmen können.
Hohlräume
unter den Schichten entfallen.
-
Es
kann dabei vorzugsweise vorgesehen sein, dass die gemeinsame Dicke
von Drainageschicht und Filtrationsschicht 5 bis 50 cm
und vorzugsweise 10 bis 20 cm beträgt. Da diese Schichten nur
ein geringes Volumen in den Fermentern einnehmen, erhöht sich
hierdurch die notwendige Fermentergröße nur unwesentlich. Zusätzlich kann
vorgesehen sein, dass Drainageleitungen, die entweder offen liegen
oder in den Boden eingelassen sind, die Drainagewirkung der Drainageschicht
unterstützen,
indem eine möglichst
gute Abführung
des Perkolats unterhalb des Fußes
der Fermenter erfolgt.
-
Besonders
bevorzugt können
dabei die Filtrations- und Drainageschichten aus holzigen Garten- oder
Parkabfällen,
die insbesondere geschreddert sein können, Holzhackschnitzeln, Blähton, Stroh, Strohmatten
oder Mischungen hiervon bestehen. Grundsätzlich sind auch Kiese als
Filtrations- und/oder Drainageschicht einsetzfähig, wobei bei Entnahme des
Restmaterials aus den Boxenfermentern und der weiteren Verarbeitung
bzw. Ausbringung derselben in manchen Fällen das Vorliegen von Kies in
dem Material problematisch ist.
-
Insoweit
sind auf den weiteren Verarbeitungsprozess abgestimmte Filtermaterialien
bevorzugt. Der weitere Verarbeitungsprozess kann dabei in Form von
landwirtschaftlichen Düngemitteln,
Blumenerde, Gartenerde etc. gegeben sein.
-
Besonders
bevorzugt ist dabei, dass die Filtrations- oder Drainageschicht
Partikel von Garten- oder Parkabfällen in einer mittleren Größe von 0,5
bis 50 mm, insbesondere 10 bis 40 mm aufweist, wobei für Holzhackschnitzel
die gleiche Größe gilt.
Unter mittlerer Größe ist hierbei
die Länge
der größten Erstreckung
des jeweiligen Partikels zu verstehen. Für Blähtonpartikel ist eine mittlere
Größe von 10
bis 35 mm, insbesondere 16 bis 32 mm Körnung bevorzugt.
-
Insbesondere
ist dabei vorgesehen, dass die Filtrations- und/oder Drainageschicht eine Filterwirkung
und/oder hydraulische Leitfähigkeit
aufweist einer entsprechenden Schicht aus Kies der Körnung 16 mm
bis 32 mm.
-
Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Wasserleitungsfähigkeit
der Filtrations- und/oder Drainageschicht bei mindestens 3 m3/h und insbesondere bei 10 m3/h
liegt. Eine Wasserleitfähigkeit von
mindestens 10 m3/h stellt insbesondere bei
sauren Substraten, wie z. B. Silage, den bevorzugten Wert dar. Besonders
bevorzugt sind hierbei höhere Wasserleitfähigkeiten.
Hieraus ergibt sich eine gewünschte
hydraulische Leitfähigkeit
von mindestens 7 cm/min bzw. bei sauren Substraten wie Silagen von mindestens
22 cm/min. Die Wasserleitfähigkeit
bzw. hydraulische Leitfähigkeit
können
ebenfalls mittels eines Permeameters der vorstehenden Art oder anderen
Standardmethoden bestimmt werden.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
kann dabei vorgesehen sein, dass die Feststofffermenter ausschließlich im
anaeroben Bereich arbeiten. Eine Betriebsweise im aeroben Bereich
ist dabei in der Regel nicht vorgesehen. Des Weiteren kann vorgesehen sein,
dass die Perkolationsvorrichtung einen Perkolationszwischenspeicher
umfasst. Ein derartiger Perkolationszwischenspeicher dann dazu dienen,
aus den Fermentern abgeführtes
Perkolat, welches bei mehreren Fermentern insbesondere vor Zufuhr
zum Perkolatzwischenspeicher zusammengeführt werden kann, zwischenzuspeichern
und zu vermischen und dann erneut dem Fermenter wieder zuzuführen. Darüber hinaus
kann der Perkolatzwischenspeicher ebenfalls der Methangewinnung
dienen, indem dieser als Flüssigfermenter
betrieben wird.
-
Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass dem Perkolat abbaubare organische
Substanzen kontinuierlich oder diskontinuierlich zugegeben werden.
-
Zum
Anfahren des Fermenters kann ein Gärrest eingesetzt werden, der
im Bereich von 0 bis 30 Gew.-%, insbesondere von 0 bis 20 Gew.-%
und insbesondere von 0 bis 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht
der Biomasse in einem der Feststofffermenter eingesetzt wird.
-
Des
Weiteren ist es besonders vorteilhaft, dass der Perkolatbehälter und/oder
das Perkolatleitungssystem der Perkolationsvorrichtung beheizt wird.
Dabei arbeiten die der Methanisierung dienenden Mikroorganismen
vorzugsweise bei einer Temperatur von > 35° C.
Eine Beheizung der Flüssigkeit im
Perkolatbehälter
oder in den Leitungen lässt
sich dabei gegenüber
einer Beheizung der Biomasse selbst beispielsweise über eine
Heizung am Boden des Fermenters erheblich effizienter gestalten
und es kann eine bessere Durchheizung durch Verrieselung eines aufgeheizten
Perkolats erzielt werden, da der Wärmeübergang im Perkolat gegenüber der
Biomasse erheblich verbessert ist und insbesondere eine höhere Kontaktfläche besteht.
-
Weiterhin
kann vorgesehen sein, verschiedene Substrate für die Vergärung derartig zu mischen, dass
eine ideale Perkolationsfähigkeit
des Gemisches erreicht wird. Dabei soll das organische Substrat
vorzugsweise eine Perkolationsfähigkeit von
mindestens 1 cm/min aufweisen. Unter idealer Perkolationsfähigkeit
ist dabei zu verstehen, dass der für den schnellen Übergang
in die Methanphase erforderliche Perkolatstrom bezogen auf das Substrat eingestellt
werden kann und gleichfalls das gesamte zur Vergärung vorgesehene Gemisch vollständig durchströmt wird.
Es wird dann eine Versauerung des Substrats verhindert bzw. rasch
neutralisiert und eine maximale Methanausbeute erzielt.
-
Besonders
bevorzugt kann eine entsprechende Vorrichtung mit mindestens einem
oder auch mehr Feststofffermentern betrieben werden, der im Batchbetrieb
arbeitet. Die Anzahl der eingesetzten Feststofffermenter hängt dabei
von der Dauer der Fermentation und der Menge des zu vergärenden Feststoffsubstrats
ab. Grundsätzlich
ist eine höhere Fermenteranzahl
vorteilhaft, da der Methangehalt im Verlauf der Fermentation ansteigt
und die technische Verwertung eines möglichst gleichmäßigen Methananfalls
vorteilhaft ist.
-
Als
Fermenter können
insbesondere von vorne befahrbare oder befüllbare Boxenfermenter eingesetzt
werden. Die Vorrichtung kann einen Biogassammelbehälter umfassen, über den
das Biogas dann zur weiteren Verarbeitung abgegeben wird.
-
Die
Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben
werden. Dabei zeigt die einzige Figur eine Vorrichtung zur Fermentation
von organischem Feststoffsubstrat, die in ihrer Gesamtheit mit dem
Bezugszeichen 10 versehen ist. Die Feststofffermentationsvorrichtung umfasst
dabei einen Feststofffermenter 12. Der Feststofffermenter 12 besitzt
eine garagenartige Form und wird vorne ähnlich einer Autogarage mit
Biomasse befüllt.
Die Biomasse oder Feststoffsubstrat ist hierbei mit 14 gekennzeichnet.
Der Feststofffermenter ist in der befüllten Form dargestellt.
-
Des
Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 einen Perkolatzwischenspeicher 16,
in dem Perkolationsflüssigkeit 18 zwischengespeichert
wird. Die Perkolationsflüssigkeit 18 wird
zur Verregung bzw. Verrieselung im Feststofffermenter 12 verwendet.
Wobei das Perkolat 18 am Fuß des Fermenters 12 aufgefangen
und in den Perkolatzwischenspeicher 18 zurückgeführt wird.
Das Perkolat aller Fermenter in den Vergärungsgasen wird im Perkolattank
gesammelt und über
alle Fermenter verrieselt. Am Fuß des Fermenters 12 ist
eine Drainageschicht 22 eingebracht, die dazu dient, das
am Fuß des
Fermenters anlangende Perkolat möglichst
schnell aus der Biomasse 14 abzuführen und so ein Aufschwimmen
der Biomasse zu verhindern. Oberhalb der Drainageschicht 22 ist
hierbei eine Filtrationsschicht 23 vorgesehen, die der
Stoffrückhaltung
des Feststoffsubstrats dient und verhindert, dass Substrat in die
Drainageschicht eingetragen wird und diese blockieren könnte und
somit die rasche Rückführung von
Perkolat in den Perkolatzwischenspeicher 18 behindert.
Zur Perkolatverteilung ist hierbei ein Leitungssystem, das mit 20 bezeichnet
ist, vorgesehen, über
das der Perkolatzwischenspeicher 16 mit dem Fermenter 12 verbunden
ist und eine Kreislaufführung
des Perkolats 18 ermöglicht.
Im Leitungssystem 20 ist eine Pumpe 24 vorgesehen,
die das Perkolat zu einer Verteileinrichtung zur Berieselung 26 fördert, über die
das Perkolat möglichst
gleichmäßig über die
Oberfläche
der Biomasse verteilt wird, um eine möglichst gute Durchfeuchtung
des Substrats zu erreichen.
-
Am
Boden des Fermenters 12 wird dann das Perkolat über die
Leitung wieder abgeführt
und dem Perkolatzwischenspeicher 16 zugeleitet. Der Perkolatzwischenspeicher 16 wirkt
hierbei gleichzeitig als Fermenter, über den ebenfalls Biogas entnommen werden
kann, das in die Leitung 40 zusammen mit dem Biogas aus
dem Fermenter 12 eingeleitet wird. Darüber hinaus dient der Perkolatzwischenspeicher 16 dem
Säureabbau
und der Regeneration des Perkolats.
-
Ferner
können
in einer Vorrichtung 10 mehrere Feststofffermenter 12a bis
n vorgesehen sein, wobei die Beladung der Feststofffermenter 12 mit
frischem Substrat nicht gleichzeitig, sondern zeitlich so zueinander
versetzt erfolgt, dass möglichst
viele Phasen der Vergärung
gleichzeitig ablaufen, um einen für die technische Weiterverarbeitung
des Biogases notwendigen weitgehend konstanten Methangehalt zu erreichen.
-
Eine
Zugabe von Gärrest
als Impfung oder eine Beschränkung
des Durchmessers der Anlage auf wenige Meter ist bei einer derartigen
Vorrichtung nicht notwendig.
-
Als
Filter- sowie Drainageschicht können hierbei
Holzhackschnitzel eingesetzt werden, wobei für die Filterschicht 23 eine
andere oder eine gleiche Holzhackschnitzelgröße verwendet werden kann. Vorzugsweise
kann jedoch vorgesehen sein, dass in der Drainageschicht gröbere Holzhackschnitzel
eingesetzt werden, um eine bessere Abführung zu erreichen, wobei die
Porosität
der Filterschicht so eingestellt werden muss, dass es bei gleichzeitig
guter Filterwirkung zu einer ausreichenden Abführung des Perkolats 18 kommt.
-
Eine
entsprechende Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass bei einer
Erfassung und Abfuhr von Perkolat 18 über eine Filtrations- sowie
eine Drainageschicht am Fuß des
Substrats der Vorteil gegeben ist, dass auf der einen Seite auf
Zwischenwände
und Perkolatauffangeinrichtungen verzichtet werden kann und auf
der anderen Seite die Methanbildung wegen des erzielbaren hohen
Perkolatstroms schnell vonstatten geht.
-
Eine
entsprechende Vorrichtung ist auch auf dem landwirtschaftlichen
Sektor einfach und sicher zu handhaben und ermöglicht einen guten Gasertrag,
der gleichzeitig Emissionsgesichtspunkten Rechnung trägt.