DE102007049479B4

DE102007049479B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Biogasgewinnung

Info

Publication number: DE102007049479B4
Application number: DE102007049479A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof. Dr. Linke; Arno Fudel; Peter-Wilhelm Freudenberg; Andreas Freudenberg
Original assignee: Leibniz Institut fuer Agrartechnik Potsdam Bornim eV
Current assignee: FREUDENBERG, ANDREAS, DE; FREUDENBERG, PETER-WILHELM, DE; Fudel Arno 15328 Kuestriner Vorland De
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: DE102007049479A1

Abstract

Verfahren zur Biogasgewinnung durch anaeroben Abbau von feststoffreichen Biomassen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer als Kompaktanlage errichteten Biogasanlage feststoffreiche Biomasse in die Prozessflüssigkeit eines Fermenters (2) auf der Einfüllseite (1) eingebracht und schwimmend bei Besprühung mit der Prozessflüssigkeit durch den Fermenter (2) geführt, der Gärrest am Fermenterende an den Gärrestfilter (3, 4) von oben übergeben wird, wobei der Gärrestfilter (4) als integrierter Bestandteil der Biogasanlage als Anaerobfilter arbeitet und mit Prozessflüssigkeit besprüht wird und der Gärrestfilter (4) durch den partiellen Abbau des strukturreichen organischen Materials sowie der löslichen organischen Verbindungen in der Flüssigkeit Biogas produziert und durch den Austrag des Gärrestes (5) am Boden des Gärrestfilters (4) ein selbst reinigendes Filtersystem schafft, die Sprühvorrichtung (6) die bakterienhaltige Flüssigkeit am Boden des Gärrestfilters (4) und aus dem Fermenter (2) mittels Schmutzwasserpumpen entnimmt und das Biogas im Gaslager (8) zur Verwertung aufgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biogasgewinnung durch anaeroben Abbau von feststoffreichen Biomassen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Erfindung umfasst den anaeroben Abbau von Biomasse, also organischer Substanzen, wie z. B. nachwachsende Rohstoffe, Festmist, Silage, Garten- und Grünpflegeabfälle, Essenreste.
Bei den bekannten Verfahren zur Biogasgewinnung aus feststoffreichen organischen Substanzen werden überwiegend kontinuierlich beschickte Rührkesselreaktoren eingesetzt, die ein- oder mehrstufig betrieben werden.
Die eingebrachten Feststoffe haben in der Regel einen ausreichenden Wassergehalt, so dass die Reaktionsmasse im Fermenter, der gleichzeitig den Gärrest darstellt, noch pumpfähig bleibt.
Diese Rührkessel werden gleichermaßen für Gülle, feststoffreiche Biomasse oder Gemischen aus beiden Komponenten eingesetzt.
Der Nachteil der Rührkessel sind die Invest aufwändigen Rührgeräte und der relariv hohe Eigenenergieverbrauch.
Weiterhin werden in der Praxis satzweise betriebene Perkolationsreaktoren genutzt, in denen die feststoffreichen Biomassen mit einer Perkolationsflüssigkeit berieselt (perkoliert) werden, die aus der Biomasse während des anaeroben Abbaus freigesetzt wird.
Damit die Reaktionsmasse in den Perkolationsreaktoren nicht übersäuert und ein ungehinderter anaerober Abbau erfolgen kann, müssen die in der Prozessflüssigkeit gelösten organischen Säuren abgebaut werden.
Das wird entweder durch einen hohen Anteil gut ausgegorenen Gärresten im frischen Ansatz oder durch die Einbeziehung eines Anaerobfilters, über den die Prozessflüssigkeit geleitet und damit von den organischen Säuren befreit wird.
Die Anaerobfilter werden in der Regel mit handelsüblichen Füllkörpern bestückt und als separate Bauhülle errichtet.
In der DE 101 57 347 B4 ist dieses Prinzip für ein kontinuierlich beschicktes System beschrieben.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Systems besteht darin, dass der aus dem Fermenter ausgetragene Gärrest nur teilweise hydrolysiert ist und noch einen erheblichen Anteil an langsam abbaubaren, strukturierten Material enthält.
Die DE 20 2005 021 412 U enthält ein Rührwerk im Fermenter und keinen Anaerobfilter als Systemlösung. Das Rührwerk im Fermenter sichert nicht den linearen Ablauf der anaeroben Vergärung von Biomasse. Die Steuerung der Zusammensetzung der Prozessflüssigkeit ist nicht gegeben.
In der DE 101 28 343 A1 wird ein Fermenter beschrieben. In diesem Fermenter können kaum oder wenig biologische Säuren und sonstigen chemischen Verbindungen abgebaut werden.
In der DE 10 2004 062 993 A1 wird eine Eingangstür und eine Verbindungstür zum Fermenter abgewandten Raum erwähnt, eine technische Ausführung ist nicht angegeben.
Der bekannte Stand der Technik weist nicht den erforderlichen Fermenteraufbau, die Führung der Prozessflüssigkeit im Fermenter, die schwimmende Führung der zu vergärenden Biomasse im Fermenter und das systembedingte Besprühen der zu vergärenden Biomasse im Fermenter sowie die Übergabe des Gärrestes an den selbst reinigenden Gärrestfilter (Anaerobfilter) und den Abbau der biologischen Säuren und sonstigen chemischen Verbindungen im Gärrestfilter nach.
Aufgabe der Erfindung ist es, den kontinuierlichen und kostengünstigen Abbau der Biomassen zur Methangaserzeugung und der Gärrestverwertung in einer Biogasanlage zu sichern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 15.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biogasgewinnung durch anaeroben Abbau von feststoffreicher Biomasse und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die den Fermenter der Biogasanlage mit einem Gärrestfilter unter Nutzung der Gärreste des Fermenters in einer Kompaktanlage vereint.
In dieser als Kompaktanlage wird feststoffreiche Biomasse in die Prozessflüssigkeit eines Fermenters auf der Einfüllseite eingebracht und schwimmend bei Besprühung mit der Prozessflüssigkeit durch den Fermenter geführt, der Gärrest wird am Fermenterende an den Gärrestfilter von oben übergeben. Der Gärrestfilter arbeitet als Anaerobfilter und ist integrierter Bestandteil der Biogasanlage. Dieser Anaerobfilter wird mit Prozessflüssigkeit besprüht Der Gärrestfilter produziert durch den partiellen Abbau des strukturreichen organischen Materiales sowie der löslichen Verbindungen in der Flüssigkeit Biogas. Durch den Austrag des Gärrestes am Boden des Gärrestfilters wird ein selbst reinigendes Filtersystem geschaffen. Eine Sprühvorrichtung entnimmt mittels Schmutzwasserpumpe die bakterienhaltige Flüssigkeit am Boden des Gärrestfilters und aus dem Fermenter. Das Biogas wird zur Verwertung im Gaslager aufgenommen.
Die Erfindung umfasst den anaeroben Abbau von Biomasse wie z. B.: nachwachsende Rohstoffe, Festmist, Silage, Garten- und Grünpflegeabfälle, Essenreste, sonstige Biomassen und -abfälle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in Siloform (Rundbau) einschließlich der schematischen Darstellung des Verfahrens
2 zeigt die Draufsicht der Siloform
3 zeigt die schematische Darstellung des Verfahrensablaufes in der rechteckigen Fermenterform (nachgereicht)
Erfindungsgemäß wird der Fermenter 2 vorrangig als Rundbau, also in Siloform, ausgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber in einer rechteckigen Fermenterform ebenso wie in einer ovalen Ausführung durchführbar.
Im Rundbau wird vorzugsweise ein tortenähnlicher Einschnitt vorgesehen, um die Technik sowie den Zugang zum Fermenter 2 und den Gärrestfilter 4 installieren zu können.
Der Gärrestfilter 4 wird vorrangig mittig im Rundbau im Fermenter 2 ausgeführt oder in einer Rechteckform an der Austragsseite des Fermenters (2) angeordnet. Er ist also in die Bauhülle integriert.
Zusätzlich kann ein Bodenfilter 7, vorrangig bestückt mit handelsüblichen Filtermaterialien, im Fermenter 2 angeordnet werden.
Der Fermenter 2 und der Gärrestfilter 4 sind mit einem Havarie- und Reinigungstor 9 versehen. Dieses darf nur nach völliger Entleerung und Entgasung der Anlage geöffnet werden.
Das Tor dient zur eventuellen Bodenreinigung und als Zugang für technische Reparaturen. Der Fermenter 2 kann zur weiteren Verbesserung der Biogasanlage mit einem Bodenfilter 7 ausgerüstet werden
Das Gaslager 8 ist über dem Fermenter 2/Gärrestfilter 4 angeordnet.
Die Prozessführung, wie z. B. Prozesstemperaturregelung, BHKW, Gaslager, Einbringtechnik und Auslagerung der Gärreste u. a. erfolgt nach bekannten Standards.
Der Fermenter 2 wird mit Prozessflüssigkeit gefüllt. Die organischen Substanzen werden an der Einfüllseite 1 des Fermenters 2 mittels handelsüblicher Technik zugegeben und schwimmend bei Besprühung mit der Prozessflüssigkeit durch den Fermenter 2 geführt.
Nach der Verweilzeit im Fermenter 2, dessen Inhalt auf die gewünschte Prozesstemperatur erhitzt wird, erfolgt nach dem Durchlauf die Übergabe des Gärrestes 3 aus dem Fermenter 2 an den Gärrestfilter 4.
Der Gärrestfilter 4 wird in der Zone der Gärrestübergabe 3 so ausgeführt, dass sich die Übergabeöffnung zum Gärrestbehälter über der Füllstandshöhe der Prozessflüssigkeit des Fermenters 2 befindet.
Die Übergabe des Gärrestes an den Gärfilter 4 erfolgt mittels Rechen, Schnecke oder in Kombination von Rechen und Schnecke 3.
Der Gärrestfilter 4 ist integrierter Bestandteil der Biogasanlage und arbeitet als Anaerobfilter.
Die Verbindung Fermenter 2/Gärrestfilter 4 wird durch eine Übergabeöffnung gesichert. Der Gärrest wird von oben in den Gärrestfilter 4 eingegeben.
Der Gärrest sowie der Fermenter 2 werden kontinuierlich oder diskontinuierlich mit der Prozessflüssigkeit breitflächig übersprüht und dadurch die optimalen Bedingungen für das Bakterienwachstum geschaffen.
Der Gärrestfilter 4 kann wahlweise auch im Stauverfahren genässt oder vorgetrocknet werden.
Wahlweise kann die Prozessflüssigkeit im Umlauf gefahren werden.
Die Entnahme der Prozessflüssigkeit erfolgt im Bodenbereich des Gärrestfilters 4 sowie direkt aus dem Fermenter 2.
Das langsam abbaubare strukturreiche Material im Gärrestfilter 4 hat eine große Oberfläche und dient als Aufwuchsträger für eine leistungsfähige, aktive methanogene Mischpopulation, die insbesondere die löslichen organischen Verbindungen abbaut.
Der Gärrest dient der zusätzlichen Biogasgewinnung und ist durch die kontinuierliche Abnahme der Gärreste am Boden des Gärrestfilters 4 ein selbst reinigendes Filtersystem.
Die notwendige Verweilzeit bestimmt die Größe des Gärrestfilters 4.
Die Gärreste werden an der Sohle des Gärrestfilters 5 entnommen und vorrangig abgepresst.
Die bakterienreiche Flüssigkeit wird bei Bedarf dem Prozesswasser oder einem separaten. Flüssigkeitssilo zugeführt.

Claims

Verfahren zur Biogasgewinnung durch anaeroben Abbau von feststoffreichen Biomassen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer als Kompaktanlage errichteten Biogasanlage feststoffreiche Biomasse in die Prozessflüssigkeit eines Fermenters (2) auf der Einfüllseite (1) eingebracht und schwimmend bei Besprühung mit der Prozessflüssigkeit durch den Fermenter (2) geführt, der Gärrest am Fermenterende an den Gärrestfilter (3, 4) von oben übergeben wird, wobei der Gärrestfilter (4) als integrierter Bestandteil der Biogasanlage als Anaerobfilter arbeitet und mit Prozessflüssigkeit besprüht wird und der Gärrestfilter (4) durch den partiellen Abbau des strukturreichen organischen Materials sowie der löslichen organischen Verbindungen in der Flüssigkeit Biogas produziert und durch den Austrag des Gärrestes (5) am Boden des Gärrestfilters (4) ein selbst reinigendes Filtersystem schafft, die Sprühvorrichtung (6) die bakterienhaltige Flüssigkeit am Boden des Gärrestfilters (4) und aus dem Fermenter (2) mittels Schmutzwasserpumpen entnimmt und das Biogas im Gaslager (8) zur Verwertung aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeit über den Gärrestfilter (4) geführt oder aber zu Teilen aus dem Fermenter (2) direkt entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feststoffreichen Biomassen durch den Fermenter (2) und den Gärrestfilter (4) als eine Funktionseinheit laufen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl mesophile als auch thermophile Prozesstemperaturen anwendbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gärrestfilter (4) organische Massen weiter abgebaut werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärrestfilter (4) so groß ausgelegt wird, das eine völlige Nachgärung des Gärrestes erfolgt und keine separate Nachgärung erforderlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärrest von oben dem Gärrestfilter (4) zugeführt und durch die bodennahe Entnahme eine ständige Filterreinigung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärrest im Austrag (5) entwässert und die separierte Prozessflüssigkeit wieder der Prozessflüssigkeit im Fermenter (2) oder dem Gärrestfilter (4) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung eines hohen Anteils Methan bildender Bakterien die vorrangige Entnahme der Prozessflüssigkeit am Fermenteraustrag (5), am Boden des Gärrestfilters (4) und am Gärrestaustrag (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeit an verschiedenen Stellen des Fermenters (2) entnommen und dem Gärrestfilter (4) zugeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fermenter (2) und ein als selbstreinigender Anaerobfilter arbeitender Gärrestfilter (4) im System als Kompaktbau ausgeführt ist, wobei der Gärrestfilter (4) nachfolgend dem Fermenter (2) unter einem gasdichten Dach angeordnet ist, eine Vorrichtung zur Übergabe der Gärreste (3) sich zwischen dem Fermenter (2) und dem Gärrestfilter (4) befindet, eine Sprühvorrichtung (6) über dem Fermenter (2) und dem Gärrestfilter (4) sowie jeweils ein Havarietor (9) im Fermenter (2) und im Gärrestfilter (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage mit integriertem Gärrestfilter (4) im Rundbau (Siloform) oder oval oder rechteckig, in Hallen- oder Garagenform, ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Rundbau ein Einschnitt zur Anordnung der Technik und als Zugang in den Fermenter (2) und den Gärrestfilter (4) eingebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergabe der Gärreste (3) an den Gärrestfilter (4) durch Schnecken oder Rechen oder in Kombination beider erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (6) zur Entnahme der Prozessflüssigkeit am Boden des Gärrestlagers sowie wahlweise aus dem Fermenter (2) zum Besprühen der organischen Masse von oben im Fermenter (2) sowie im Gärrestlager mit Schmutzwasserpumpen ausgerüstet ist.