DE102009035875A1

DE102009035875A1 - Verfahren zur Herstellung von Bio- oder Klärgas

Info

Publication number: DE102009035875A1
Application number: DE102009035875A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr.-Ing. Günther
Original assignee: DGE Dr Ing Guenther Engineering GmbH
Current assignee: DGE Dr Ing Guenther Engineering GmbH
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2011-02-24
Also published as: CN102482686A; EP2462233A1; WO2011015328A1; US20120135491A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bio- oder Klärgas durch eine mehrstufige anaerobe Umsetzung von Biomasse und/oder Klärschlamm. Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik soll ein Verfahren geschaffen werden, das zu einer höheren Ausbeute an Roh- bzw. Biogas sowie einem höheren Gehalt an Methan im Rohgas führt und eine wirtschaftlich verbesserte Betriebsweise ermöglicht. Hierzu wird als Lösung vorgeschlagen, dass die Umsetzung in der ersten Fermentationsstufe (F1) unter Einhaltung eines TS-Gehaltes von 3 bis 8% und einer Raumbelastung von 1 bis 3 kg OTS/md durchgeführt wird. In der zweiten Fermentationsstufe (F2) erfolgt eine weitere Umsetzung der Feststoffphase unter Einhaltung eines TS-Gehaltes von 8 bis 40% und einer Raumbelastung von über 2 kg OTS/md. Das Gärsubstrat wird in der zweiten Fermentationsstufe auf einen TS-Gehalt eingestellt, der größer ist als der TS-Gehalt der ersten Stufe. In beiden Fermentationsstufen wird die Umsetzung im schwach sauren bis neutralen Bereich (pH-Wert 6,5 bis 8) durchgeführt. Das in den Fermentationsstufen (F1, F2) entstehende Biogas wird zusammengeführt oder getrennt abgeführt und einer weiteren Reinigung unterzogen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bio- oder Klärgas durch eine mehrstufige anaerobe Umsetzung von Biomasse und/oder Klärschlamm.
Die Herstellung von Biogas erfolgt in an sich bekannter Weise in einem oder mehreren Reaktoren bzw. Fermentern, die mesophil (Temperaturen unterhalb von 45°C) oder thermophil (Temperaturen 45 bis 80°C) betrieben werden können.
Als Biomasse kommen organische Materialien zum Einsatz, die beispielsweise als Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist), nachwachsende Rohstoffe und biologische Abfallmaterialien anfallen.
Klärschlamm ist für eine anaerobe Umsetzung nur dann geeignet, wenn dieser aus organisch belasteten Ab- oder Prozesswässern mit einem CSB-Anteil von über 5.000 mg/l anfällt, und somit anaerob umsetzbare Biomasse ist. CSB ist die Abkürzung für „Chemischen Sauerstoffbedarf, wobei im Rahmen einer CSB-Messung ermittelt wird, wie viel Sauerstoff die chemischen Faulungs-/Reinigungsprozesse im Abwasser verbrauchen.
Zur Herstellung bzw. Erzeugung von Biogas finden während der Umsetzung unterschiedliche biologische Abbauprozesse statt, als Hydrolyse, Versäuerung, Essigsäurebildung und Methanbildung. Die durch Bakterien verursachten Abbauprozesse können unter aeroben oder anaeroben Bedingungen stattfinden. Das am häufigsten angewendete Verfahren ist die Nassfermentation, bei der der Trockensubstanzgehalt TS < 15% und der Wassergehalt > 85% ist.
In Abhängigkeit von den eingesetzten Rohstoffen und den verfahrenstechnischen Bedingungen lassen sich in der Praxis Biogase mit einem Methangehalt von bis zu 65% erzielen. Biogas wird unter anderem für Heizzwecke, z. B. in Blockheizkraftwerken, oder als Energieträger zur Einspeisung in Erdgasnetze verwendet.
Außer der Entfernung von sonstigen Verunreinigungen, wie insbesondere Schwefelwasserstoff, Stickstoff und Ammoniak, muss noch das im Biogas enthaltene CO₂ abgetrennt werden, um ein für die Weiterverarbeitung geeignetes Methangas hoher Qualität zu erhalten.
Die Reinigung bzw. Aufarbeitung von Biogas ist ein technologisch komplizierter Prozess, der mit einem hohen apparatetechnischen Aufwand verbunden ist.
Mit steigendem Anteil an Methan im hergestellten Biogas verringern sich auch die Kosten für die nachträgliche Reinigung bzw. Aufarbeitung zu Methangas.
Daher sind auch bereits Lösungen bekannt, den Prozess der Biogasherstellung so zu verändern, dass ein Biogas mit einem möglichst hohen Anteil an Methan entsteht.
In der DE 103 16 680 A1 wird vorgeschlagen, einen Vorgärreaktor mit Nährlösung zu beschicken und in diesen eine unbehandelte Biomasse so lange einzuspeisen, bis sich ein pH-Wert von 4,3 bis 4,8 einstellt. Anschließend wird die vorgegärte Biomasse in einer solchen Menge dem Hauptreaktor zugeführt, dass sich ein konstanter pH-Wert von 6,7 bis 7,7 einstellt und konstant bleibt. Dem Vorreaktor wird ausgefaultes Material des Hauptreaktors als Nährmedium zugeführt. Diesem kann ständig neue Biomasse zugeführt werden. Ein Teil des Produktes des Vorgärreaktors wird in den Hauptreaktor eingespeist und umgekehrt, wobei es sich um annähernd gleiche Mengen handeln sollte. Beide Reaktionen werden im Kreislauf geführt, wobei die entscheidende Steuergröße der pH-Wert ist.
Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, dass die Bakterien für die Hydrolyse, Versäuerung, Essigsäurebildung und Methanisierung vermischt werden. Das im Vorgärerreaktor erzeugte Biogas hat einen sehr geringen Anteil an Methan von 5 bis 20%, so dass es nur durch Mischen mit Biogas aus dem Hauptreaktor verwendbar ist.
In der DE 10 2007 037 202 A1 ist ein Verfahren zur Konversion von Biomasse zu Biogas beschrieben, das unter anaeroben Bedingungen in Fermentern erfolgt. In den ersten Fermenter werden nachwachsende Rohstoffe zusammen mit Flüssigkeit und weiteren für die Methagonese notwendigen Ausgangsstoffen eingebracht und einem Gärprozess unterworfen. Anschließend wird der Gärrest einer Trennung in eine Fest-Flüssig-Phase unterzogen und die Feststoffphase einer Thermodruckhydrolyse bei Temperaturen von mindestens 170°C und Drücken von mindestens 1 MPa unterworfen. Die so behandelte Feststoffphase kann entweder in den ersten Fermenter zurückgeführt oder in einem zweiten Fermenter für einen weiteren Gärprozess zugeführt werden. Der Verfahrensschritt, die abgetrennte Feststoffphase einer Thermodruckhydrolyse zu unterziehen ist aufwendig und kostenintensiv.
In der DE 10 2007 000 834 A1 wird vorgeschlagen, silierte nachwachsende Rohstoffe zu waschen und zu zerkleinern, ein Teil des Waschwassers zu entfernen und diese einer Hydrolyse zu unterziehen. Die Hydrolyseprodukte werden dann zur Biogaserzeugung in an sich bekannter Weise in Fermentern weiter behandelt.
Der Einsatz silierter nachwachsender Rohstoffe ist aus ökologischen Gründen von Nachteil. Die erforderlichen Stufen Waschen und Zerkleinern sind energie- und kostenaufwendig.
Ein genereller Nachteil der bekannten Verfahren sind zu geringe Ausbeuten an Methan bei der Umsetzung von Biomasse und/oder Klärschlamm zu Bio- oder Klärgas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Bio- oder Klärgas zu schaffen, das sich durch eine höhere Ausbeute an Roh- bzw. Biogas sowie einen höheren Gehalt an Methan im Rohgas auszeichnet und eine wirtschaftlich verbesserte Betriebsweise ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Verfahrensweise sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.
Die Umsetzung der Biomasse erfolgt in beiden Fermentationsstufen im schwach sauren bis neutralen Bereich (pH-Wert 6,5 bis 8). In der ersten Fermentationsstufe wird die Umsetzung unter Einhaltung eines TS-Gehaltes von 3 bis 8% und einer Raumbelastung von 1 bis 3 kg OTS/m³ d durchgeführt. Die Feststoffphase des Gärsubstrates aus der ersten Fermentationsstufe wird in der zweiten Fermentationsstufe unter Einhaltung eines TS-Gehaltes von 8 bis 40% und einer Raumbelastung von über 2 kg OTS/m³ d weiter umgesetzt. Dabei ist entscheidend, dass TS-Gehalt des Gärsubstrates in der zweiten Fermentationsstufe auf einen Wert eingestellt wird, der größer ist, vorzugsweise das 1,5 bis 20-fache, als der TS-Gehalt der ersten Stufe.
In der ersten Fermentationsstufe laufen die Vorgänge Hydrolyse, Versäuerung Essigsäurebildung parallel ab. Die Hydrolyse erfolgt bei einem pH im schwach sauren bis neutralen Bereich. Dies stellt eine Abkehr von der bisher üblichen Praxis dar (pH 4,5 bis 6). In Verbindung mit den geringen Faulraumbelastungen kommt es zu einer geringeren Versäuerung, wodurch die Methanbildung beschleunigt wird. In der ersten Fermentationsstufe entsteht ein Biogas mit einem hohen CO₂-Gehalt. Da dieses kontinuierlich abgeführt und gereinigt wird, entsteht im Fermenter ein Biogas mit einem höheren Methangehalt.
Überraschenderweise zeigte sich, dass bei Einhaltung der vorgenannten Werte der Verfahrensparameter pH-Wert, TS-Gehalt und Raumbelastung sowie einem höherer TS-Gehalt in der zweiten Fermentationsstufe eine höhere Ausbeute an Biogas mit einem höheren Gehalt an Methan erzielt werden kann.
Die erste Fermentationsstufe wird als Nassfermentation durchgeführt. Die zweite Fermentationsstufe kann auch als Trockenfermentation betrieben werden. Die jeweils optimale Verfahrensweise ist in erster Linie auch von der Zusammensetzung der Biomasse abhängig. Eine weitere Verbesserung vorgenannter Ergebnisse wird erreicht, wenn die Biomasse in einer der ersten Fermentationsstufe vorgeschalteten Hydrolysestufe drucklos vorbehandelt wird, bei Temperaturen 25 bis 60°C. Die Hydrolyse erfolgt hier bei einem pH-Wert von 5 bis 8. Die Verweildauer der Biomasse in der Hydrolysestufe sollte 3 bis 8 Tage, vorzugsweise 4 bis 6 Tage betragen. Die Verweildauer in der Hydrolysestufe kann auch über die im abgezogenen Biogas gemessene H₂S-Konzentration vorgenommen werden. Hierzu wird die H₂S-Konzentration kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen gemessen und ausgewertet. Die als Kurvendiagramm aufgezeichneten Messwerte (H₂S-Konzentration in ppm und Zeitverlauf in Stunden) zeigen im Kurvenverlauf deutlich ein Peak (erhöhte H₂S-Konzentration). Danach fallen die Werte langsam wieder ab. In Abhängigkeit von den eingesetzten Rohstoffen und den konkreten Hydrolysebedingungen wird ein unterer Grenzwert für die H₂S-Konzentration festgelegt. Ist dieser nach dem Peak erreicht, so wird die Hydrolyse beendet. In Abhängigkeit von den eingesetzten Rohstoffen und der Zusammensetzung der Biomasse ergeben sich unterschiedliche H₂S-Konzentration und Kurvenverläufe.
Das während der Hydrolyse entstehende CO₂-haltige Gasgemisch (Biogas) mit einer hohen H₂S-Konzentration wird abgezogen und gereinigt. So wird ein Biogas mit einem um das 3 bis 10-fache höheren Methangehalt erhalten. Die Reinigung kann als drucklose Wasserwäsche betrieben werden. Das Hydrolyse- bzw. Biogas kann bis auf einem Methananteil von 50 Vol.-% oder höher gereinigt werden. Das dabei abgetrennte Kohlendioxid wird anderweitig verwertet. Der Vorteil einer vorgezogenen Hydrolysestufe besteht auch in einer Verringerung des H₂S-Gehaltes in den nachfolgenden Fermentationsstufen. In den nachfolgenden Fermentationsstufen kann dann keine oder nur noch eine stark abgeschwächte Hydrolyse stattfinden. Unter diesen Bedingungen entstehen Biokulturen, die sich vorteilhaft auf die Methagonese auswirken.
Aus der Hydrolysestufe und den beiden Fermentationsstufen abgezogenes Biogas wird gereinigt und anschließend zur weiteren Verwertung zu einem Gasstrom zusammengeführt. Alternativ können die Gasströme auch einzeln oder nach einer Zusammenführung gereinigt werden. Dies ist in erster Linie abhängig von der Zusammensetzung des in den einzelnen Stufen erhaltenen Biogases. Zu berücksichtigen ist dabei auch der entstehende Reinigungsaufwand, der möglichst gering gehalten werden soll.
Es kann auch möglich sein, in der zweiten Fermentationsstufe noch eine weitere Hydrolysestufe zu integrieren. Erforderlichenfalls können in der zweiten Fermentationsstufe auch noch geringe Mengen an Rohmaterial bzw. Biomasse zugeführt werden.
In Abhängigkeit vom eingesetzten Ausgangsmaterial lassen sich in der ersten Fermentationsstufe bis zu 80% und in der zweiten Fermentation bis zu etwa 20% an Methanausbeute realisieren. Dies ist jedoch abhängig von der Art und Zusammensetzung der eingesetzten Rohstoffe und der für die nachfolgende Verwertung gewünschten Methankonzentration. Ein weiterer zusätzlicher Vorteil wird erreicht, wenn mindestens eine Teilmenge der aus dem Gärrest der ersten Fermentationsstufe abgetrennten flüssigen Phase einer Strippstufe zugeführt wird, in der in der flüssigen Phase enthaltener Ammoniak entfernt wird. Das so gereinigte Gärwasser mit einem Ammoniakgehalt von unter 2 g/l, vorzugsweise bis auf 0,5 mg/l, wird z. B. zwischengelagert. Gereinigtes Gärwasser kann dann für weitere Ansätze an Biomasse bzw. Gärsubstrat verwendet werden. Dadurch verbessert sich im Vergleich zu Frischwasserzusatz die Biologie im Ausgangsmaterial, wodurch ein höherer Methangehalt im Biogas erzielbar ist.
Die aus dem Gärrest der ersten Fermentationsstufe abgetrennte Feststoffphase kann vor der Zuführung in den zweiten Fermenter mit gereinigter Flüssigphase (Gärwasser) vermischt oder in einem zwischengeschalteten Reaktor thermisch behandelt werden, bei Temperaturen von bis zu 180°C und einem Druck von bis zu 10 bar, ggf. unter Zugabe von sauer oder alkalisch wirkenden Zusatzstoffen. Das verunreinigte Strippgas kann in einer nachgeschalteten Waschstufe mittels einer sauren Waschlösung behandelt werden. Dadurch wird im Gasstrom enthaltener Ammoniak zu Ammonium- oder Phosphorsulfat oder anderen Salzen umgesetzt. Das ausgekreiste Sulfat kann als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt werden.
Die Erfindung soll nachstehend an einigen Beispielen erläutert werden.
In der zugehörigen Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung der Verfahrensweisen dargestellt. Im Zusammenhang mit den Beispielen wird die Anlage näher erläutert.
Beispiel 1
Zur Herstellung von Biogas werden als Biomasse folgende Rohstoffe eingesetzt:
Rindergülle mit einem TS-Gehalt von 6%, Mist mit einem TS-Gehalt von 25%, Mais mit einem TS-Gehalt von 32% und Grassilage mit einem TS-Gehalt von 30%.
Die Rohstoffe (1512 kg Rindergülle, 302 kg Mist, 116 kg Mais und 349 kg Grassilage) werden über die Leitung 1 in einen Ansatzbehälter A1 gefördert (1,96 m³/h). Das Gemisch besitzt einen TS-Gehalt von 12,2% und wird in diesem mit bereits vorhandenem ungereinigtem Gärwasser (1,6 m³/h) so eingestellt, dass ein TS-Gehalt im Ansatzbehälter von 6% vorliegt.
Die Zuführung von Gär- bzw. Prozesswasser erfolgt über die Leitung 2. Dem Gärsubstrat werden keine weiteren Zusatzstoffe zugesetzt und nach einer Verweilzeit von etwa 1 Stunde im Ansatzbehälter wird das Gärsubstrat in einer Menge von 3,57 m³/h kontinuierlich über die Leitung 11 in den ersten Fermenter F1 gefördert. Dieser wird mesophil (Temperatur 38°C) und mit einer Raumbelastung OTS von 1 kg/m³ d betrieben. Die Raumbelastung wird mittels geeigneter Messverfahren kontinuierlich überwacht und bei Unter- oder Überschreitungen über die Zuführung von Gärsubstrat auf vorgenannten Wert eingestellt. Außerdem wird der pH-Wert kontinuierlich überwacht, der sich auf einen Wert von 7,5 bis 7,8 einstellt. Die Fahrweise im ersten Fermenter F1 erfolgt im neutralen Bereich. Das Gärsubstrat wird über die Fermenterheizung und/oder -kühlung auf der vorgenannten Temperatur gehalten. Der Fermenter ist in an sich üblicher Weise mit einer Isolierung und einem Rührwerk zur Vermischung des Gärsubstrates ausgerüstet.
Unter vorgenannten Bedingungen finden im ersten Fermenter F1 eine überlagerte Hydrolyse- und Versäuerungsphase sowie Methanbildung statt. Durch Zudosierung von Luft oder Sauerstoff oder Eisensalzen kann der Gehalt an Schwefelwasserstoff im Biogas reduziert werden.
Während der biologischen Umsetzung des Gärsubstrates im ersten Fermenter entsteht ein Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 55 Vol.-%

CO₂ 41 Vol.-%

H₂O 3,5 Vol.-%

H₂S 60 ppm

NH₃ 35 ppm.
Durchschnittlich entsteht im ersten Fermenter F1 eine Gasmenge von 96 Nm³/h. Das gebildete Biogas wird über die Leitung 21 abgeführt und mit Biogas aus dem Fermenter F2 gemischt. Das Gemisch (Biogas) wird anschließend gereinigt und einer Verwertung zugeführt. Nach einer Verweilzeit des Gärsubstrates von 20 Tagen wird die Umsetzung des Gärsubstrates im ersten Fermenter F1 beendet.
Das Gärsubstrat wird über Leitung 5 aus dem ersten Fermenter F1 abgezogen und einem Trennapparat D1 (Abscheider) zugeführt, zur Trennung in eine Flüssigphase und eine Feststoffphase. Die Feststoffphase (Wassergehalt von 30 bis zu 70 Gew.-%) kann über die Leitungen 17, 18 entweder einem Reaktor R1 oder direkt dem zweiten Fermenter F2 zugeführt werden. Der Reaktor R1 ist beheizbar, die Zuführung von Heizmedium erfolgt über die Leitung 19. Die abgetrennte flüssige Phase (Gärwasser) gelangt über Leitung 6 in einen Behälter B1 und wird zur weiteren Verwendung zwischengelagert. Eine Teilmenge kann in den Ansatzbehälter oder in den ersten Fermenter zurückgeführt werden.
Die Feststoffphase des Gärsubstrates wird im zweiten Fermenter F2 auf einen TS-Gehalt von 9% eingestellt. Die Fahrweise im zweiten Fermenter F2 erfolgt unter mesophilen Bedingungen (Temperatur 38 bis 42°C) und mit einer Raumbelastung OTS von 2,2 kg/m³ d. Die biologische Umsetzung des Gärsubstrates wird unter Ausschluss von Luft oder Sauerstoff und bei pH-Werten 7,5 bis 7,8 durchgeführt. Die Verweilzeit im zweiten Fermenter F2 beträgt ca. 40–60 Tage. Zur Verringerung der Bildung von Schwefelwasserstoff können geringe Mengen an Eisensalzen zudosiert werden.
Während der Umsetzung im zweiten Fermenter F2 entstehen 18 Nm³/h Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 54 Vol.-%

CO₂ 43 Vol.-%

H₂O 3 Vol.-%

H₂S 40 ppm

NH₃ 42 ppm.
Das Biogas wird über die Leitung 22 abgeführt, mit dem Biogas aus dem ersten Fermenter zusammengeführt und zur weiteren Verwendung gereinigt.
Insgesamt entstehen in beiden Fermentern F1 und F2 ca. 114 Nm³/h Biogas mit einem Methangehalt von 54,8 Vol.-%. Die erzeugte Methanmenge beträgt 62,5 m³/h und liegt damit um 35% über den bekannter konventioneller Verfahren.
Die unterschiedlichen Bedingungen hinsichtlich des TS-Gehaltes und der Raumbelastung für die Umsetzung des Gärsubstrates im ersten und zweiten Fermenter, jeweils im neutralen Bereich, führen zu einer höheren Biogasausbeute und einem Anstieg des Methangehaltes.
Beispiel 2
Der Ansatz von Biomasse im Ansatzbehälter A1 erfolgt unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1. Dem Gärsubstrat werden keine weiteren Zusatzstoffe zugesetzt und nach einer Verweilzeit von etwa 1 Stunde im Ansatzbehälter A1 wird das Gärsubstrat (Menge 3,57 m³/h) über die Leitung 3 in einen Hydrolysebehälter H1 gefördert und in einer dem Fermentationsprozess vorgeschalteten Hydrolysestufe vorbehandelt, drucklos, bei Temperaturen von 35°C und einem pH-Wert von 6,5 bis 7,5. Die Verweilzeit für die Hydrolyse- und Versäuerungsreaktion im Hydrolysebehälter H1 beträgt 4 Tage. Der Hydrolysereaktor wird batchweise betrieben. Wie in der Zeichnung gezeigt sind zwei Hydrolysebehälter vorgesehen. Im Vergleich zu anderen bekannten Hydrolysestufen findet die Hydrolyse nicht im sauren sondern im neutralen Bereich statt.
Unter diesen Bedingungen entsteht in der Hydrolyse ein CO₂-haltiges Gas mit geringen Spuren an Wasserstoff und Methan und hoher Konzentration an Schwefelwasserstoff. Das über Leitung 20 entweichende Biogas (32 Nm³/h) hat folgende Zusammensetzung:

CO₂ 60 bis 85 Vol.-%

H₂ bis 5 Vol.-%

CH₄ bis 10 Vol.-%

H₂S 800 ppm (Mittelwert)

Rest Luft.
Während der Hydrolyse steigt die H₂S-Konzentration nach ca. 52 Stunden bis auf einen Wert von 2850 ppm an (Peak) und fällt danach wieder langsam ab. Die H₂S-Konzentration wird in Abständen von 60 min gemessen. Nach ca. weiteren 43 Stunden fällt die H₂S-Konzentration auf einen Wert von 420 ppm ab und die Hydrolyse wird beendet.
Das aus der Hydrolysestufe H1 abgezogene Biogas wird in einer nicht mit dargestellten Reinigungsstufe behandelt. Diese wird beispielsweise als drucklose Wasserwäsche betrieben. Dabei wird das Hydrolyse- bzw. Biogas auf 4 Nm³/h mit einem Methananteil von 50 Vol.-% gereinigt. Das abgetrennte Kohlendioxid wird anderweitig verwertet.
Das Gärsubstrat aus der Hydrolysestufe H1 wird über die Leitung 4 kontinuierlich dem Fermenter F1 zugeführt und in diesem unter gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 behandelt.
Aufgrund der vorgeschalteten Hydrolyse kann die Zudosierung von Luft oder Sauerstoff oder Eisensalzen zur Reduzierung von Schwefelwasserstoff im Biogas um ca. 80% reduziert werden, da der Hauptanteil von Schwefelwasserstoff bereits in der Hydrolysestufe abgetrennt wurde.
Während der biologischen Umsetzung des Gärsubstrates im ersten Fermenter F1 entsteht Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 72,26 Vol.-%

CO₂ 24,24 Vol.-%

H₂O 3,5 Vol.-%

H₂S 20 ppm

NH₃ 31 ppm.
Durchschnittlich entsteht eine Gasmenge von 73 Nm³/h. Dieses über die Leitung 21 abgeführte Biogas kann mit Biogas aus dem zweiten Fermenter F2 gemischt oder ggf. auch separat verwertet werden. Nach einer Verweilzeit von 20 Tagen wird die Umsetzung des Gärsubstrates im ersten Fermenter F1 beendet.
Das aus dem ersten Fermenter F1 über die Leitung 5 abgezogene Gärsubstrat wird analog wie in Beispiel 1 einer Trennung in eine Flüssigphase und eine Feststoffphase (Wassergehalt von 30 bis zu 70 Gew.-%) unterzogen.
Die Feststoffphase des Gärsubstrates wird im zweiten Fermenter F2 unter gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 behandelt.
Während der Umsetzung im zweiten Fermenter F2 entstehen 18 Nm³/h Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 54 Vol.-%

CO₂ 43 Vol.-%

H₂O 3,5 Vol.-%

H₂S 40 ppm

NH₃ 39 ppm.
Das Biogas wird über die Leitung 22 zur weiteren Verwertung abgeführt.
Insgesamt entstehen in der Hydrolysestufe H1 und den beiden Fermenter F1 und F2 ca. 95 Nm³/h an Biogas mit einem Methangehalt von 67,9 Vol.-%. Die erzeugte Methanmenge beträgt 64,5 m³/h und liegt damit um 39,3% über den bekannter konventioneller Verfahren. Im Fermenter F1 wird ein Biogasstrom mit einem Methangehalt von 72,26 Vol.-% erzeugt.
Der Methangehalt kann durch eine Verlängerung der Verweilzeit um ca. 2 bis 3 Tage in der Hydrolysestufe bis auf über 80 Vol.-% gesteigert werden.
Beispiel 3
Dieses unterscheidet sich von Beispiel 2 lediglich durch eine nach der ersten Fermenterstufe F1 zwischengeschalteten Strippstufe K1, in der unter erhöhtem Druck, vorzugsweise von 10 bis 100 mbar, aus erwärmten Gärwasser mittels Strippgas Ammoniak bis auf eine Konzentration von 0,5 mg/l abgetrennt wird.
Die abgetrennte flüssige Phase (Gärwasser) wird über Leitung 6 dem Behälter B1 zugeführt. Aus diesem wird über die Leitung 7 ein Teilstrom (ca. 50%) abgezweigt und in einem nachgeschalteten Wärmetauscher W1 bis auf ca. 50 bis 70°C erwärmt und ggf. der pH-Wert so eingestellt, dass dieser über 8 liegt. Anschließend wird der erwärmte Teilstrom einer Strippkolonne K1 zugeführt, in der über den in Strippgasleitungen 23, 24 eingebundenen Verdichter V1 Strippgas auf einen Druck von ca. 10 bis 20 mbar erhöht wird, und im Gärwasser enthaltener Ammoniak ausgestrippt wird. Das verunreinigte Kreis- bzw. Strippgas wird in einer Waschkolonne K2 mit einer sauren Waschlösung behandelt. Die in der Leitung 25 geführte Waschlösung wird mittels der Pumpe P1 im Kreislauf gefahren.
Der im Strippgas enthaltene Ammoniak wird bei Kontakt mit der sauren Waschlösung zu Ammoniumsulfat oder Phosphorsulfat umgesetzt. Die Konzentration an Sulfat wird auf etwa 10 bis 30 Gew.-% eingestellt, wobei über die Leitung 26 die Dosierung von Säure erfolgt. Am Sumpf der Waschkolonne K2 wird das gebildete Sulfat als Dünger über die Leitung 27 ausgekreist.
Durch den Strippvorgang wird die Ammoniumkonzentration im Gärwasser von 2 auf 0,5 mg/l reduziert.
Das nahezu ammoniakfreie Gärwasser kann dann wieder im biologischen Prozess zur Einstellung des TS-Gehaltes der eingesetzten Biomasse während des Ansatzes verwendet werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Biologie der Umsetzung des Gärsubstrates aus. Bei Einsatz von gereinigtem Gärwasser in der Ansatzphase entsteht während der biologischen Umsetzung des Gärsubstrates im ersten Fermenter F1 ein Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 72,61 Vol.-%

CO₂ 23,89 Vol.-%

H₂O 3,5 Vol.-%

H₂S 20 ppm

NH₃ 8 ppm.
Die durchschnittlich erzeugte Gasmenge beträgt 75 Nm³/h.
Während der Umsetzung im zweiten Fermenter F2 entstehen 18 Nm³/h Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 54 Vol.-%

CO₂ 43 Vol.-%

H₂O 3 Vol.-%

H₂S 40 ppm

NH₃. 6 ppm.
Insgesamt entstehen in der Hydrolysestufe und den beiden Fermentern F1 und F2 ca. 97 Nm³/h an Biogas mit einem Methangehalt von 68,2 Vol.-%. Die erzeugte Methanmenge beträgt 66,2 m³/h. Die Steigerung der Methanausbeute im Vergleich zu Beispiel 2 ist auf den geringeren Anteil von Ammoniak im zugesetzten Gärwasser zurückzuführen.
Im Reaktor R1 behandelter Gärrückstand kann direkt dem zweiten Fermenter F2 zugeführt werden. Diesem kann auch ein zweiter Ansatzbehälter A2 vorgeschaltet werden, dem über die Leitung 8 gereinigtes Gärwasser zugeführt werden kann. Über die an diesen angeschlossenen Leitungen 9, 10, 12 kann gereinigtes Gärwasser sowohl dem ersten Ansatzbehälter A1 als auch dem zweiten Fermenter F2 zugeführt werden.
Nach Beendigung der Umsetzung im zweiten Fermenter F2 wird der Gärrückstand über die Leitung 13 einem zweiten Abscheider D2 zugeführt. Die Feststoffphase wird über die Leitung 16 abgeführt und die Flüssigphase gelangt über die Leitung 14 in einen zweiten Vorlagebehälter B2 und kann von diesem aus über die Leitung 15 abgeführt werden.
Beispiel 4
Dieses Beispiel unterscheidet sich von Beispiel 3 dadurch, dass die Hydrolysestufe so lange gefahren wurde, bis die H₂S-Konzentration im abgeführten Hydrolyse- bzw. Biogas nach dem Peak bis auf einen unteren Grenzwert von 240 ppm abgesunken ist. Dieser Wert wurde nach ca. 142 Stunden erreicht. Dadurch wird eine höhere Ausbeute an Biogas erreicht. Außerdem erhöht sich somit auch der Anteil an Methan im Biogas.
In der Hydrolyse entstehen 43 Nm³/h CO₂-haltiges Biogas in identischer Zusammensetzung wie in Beispiel 3.
Das Biogas aus der Hydrolysestufe wird mittels einer drucklosen Wasserwäsche behandelt und dabei das Hydrolyse- bzw. Biogas auf 8 Nm³/h mit einem Methananteil von 50 Vol.-% gereinigt.
Während der biologischen Umsetzung des Gärsubstrates im ersten Fermenter F1 entsteht ein Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 81,97 Vol.-%

CO₂ 14,53 Vol.-%

H₂O 3,5 Vol.-%

H₂S 17 ppm

NH₃ 8 ppm.
Die durchschnittlich entstandene Gasmenge beträgt 64 Nm³/h.
Während der späteren Umsetzung im zweiten Fermenter F2 entstehen 18 Nm³/h Biogas folgender Zusammensetzung:

CH₄ 54 Vol.-%

CO₂ 43 Vol.-%

H₂O 3 Vol.-%

H₂S 40 ppm

NH₃ 6 ppm.
Insgesamt entstehen in der Hydrolysestufe und den beiden Fermenterstufen F1 und F2 90 Nm³/h an Biogas mit einem Methangehalt von 73,6 Vol.-%. Die erzeugte Methanmenge beträgt 66,2 m³/h und liegt damit um 43,0% über den bekannter konventioneller Verfahren. Im Fermenter 1 wird ein Biogasstrom mit einem Methangehalt von 81,971 Vol.-% erzeugt. Der hohe Methangehalt ermöglicht sogar eine Einspeisung des Biogases nach erfolgter Feinentschwefelung und Trocknung in ein Gasnetz.
In der Praxis kann die Einstellung der jeweiligen pH-Werte über die Rohstoff-, Gärwasser- oder Frischwasserzufuhr sowie den TS-Gehalt erfolgen.
Vergleichsergebnisse:

Aus der Fachliteratur, „Biogas Basisdaten Deutschland, Stand: August 2007”, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), 18276 Gülzow, sind zur Herstellung von Biogas aus nachfolgend angegebenen Ausgangsstoffen folgende Ausbeuten an Biogas und Methan bekannt:

13.000 t Rindergülle (TS-Gehalt 6%)	325.000 m³ Biogas	195.000 m³ Methan
2.600 t Rindermist (TS-Gehalt 25%)	117.000 m³ Biogas	70.200 m³ Methan
1.000 t Maissilage (TS-Gehalt 30%)	202.000 m³ Biogas	105.040 m³ Methan
300 t Grassilage (TS-Gehalt 30%)	51.600 m³ Biogas	27.864 m³ Methan
Summe	695.600 m³ Biogas	398.104 m³ Methan

Demzufolge entstehen bei einem kontinuierlichen Betrieb einer konventionellen Biogasanlage von 8600 Stunden 80,9 Nm³/h Biogas mit einem Methangehalt von 57,23 Vol.-%. Die erzeugte Methanmenge beträgt 46,3 Nm³/h.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10316680 A1 [0011]
- DE 102007037202 A1 [0013]
- DE 102007000834 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bio- oder Klärgas durch eine mehrstufige anaerobe Umsetzung von Biomasse und/oder Klärschlamm mittels Nassfermentation in mindestens zwei getrennten Fermentationsstufen, wobei nach der ersten Fermentationsstufe (F1) eine Trennung des Gärrestes in eine Feststoffphase und eine Flüssigphase vorgenommen wird, die Feststoffphase weiter behandelt und anschließend in der zweiten Fermentationsstufe (F2) einem weiteren Gärprozess unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in der ersten Fermentationsstufe (F1) unter Einhaltung eines TS-Gehaltes von 3 bis 8% und einer Raumbelastung von 1 bis 3 kg OTS/m³ d durchgeführt wird und in der zweiten Fermentationsstufe (F2) eine weitere Umsetzung der Feststoffphase unter Einhaltung eines TS-Gehaltes von 8 bis 40% und einer Raumbelastung von über 2 kg OTS/m³ d vorgenommen wird, wobei das Gärsubstrat in der zweiten Fermentationsstufe auf einen TS-Gehalt eingestellt wird, der größer ist als der TS-Gehalt der ersten Stufe, und die Umsetzung in beiden Fermentationsstufen im schwach sauren bis neutralen Bereich (pH-Wert 6,5 bis 8) erfolgt, und das in den Fermentationsstufen (F1, F2) entstehende Biogas zusammengeführt oder getrennt abgeführt und einer weiteren Reinigung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse in einer der ersten Fermentationsstufe (F1) vorgeschalteten Hydrolysestufe (H1) drucklos vorbehandelt wird, bei Temperaturen 25 bis 60°C und die Hydrolyse bei einem pH-Wert von 5 bis 8 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer der Biomasse in der Hydrolysestufe (H1) 3 bis 8 Tage beträgt, wobei ein CO₂-haltiges Gasgemisch mit einer hohen H₂S-Konzentration entsteht, das abgezogen und gereinigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer der Biomasse in der Hydrolysestufe (H1) über die im abgezogenen Biogas gemessene die H₂S-Konzentration gesteuert wird, wobei in Abhängigkeit von der Rohstoffzusammensetzung und den Hydrolysebedingungen ein unterer Grenzwert festgelegt und nach Erreichen eines Peaks und nachfolgendem Absinken der H₂S-Konzentration bis auf diesen Grenzwert, die Hydrolyse beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Hydrolysestufe (H1) abgezogenes Biogas gereinigt wird, wobei der Methananteil im Biogas um das 3 bis 5-fache erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Hydrolysestufe (H1) und den beiden Fermentationsstufen (F1, F2) abgezogene Biogase gereinigt und anschließend zur weiteren Verwertung zu einem Gasstrom zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilmenge der aus dem Gärrest der ersten Fermentationsstufe (F1) abgetrennten flüssigen Phase einer Strippstufe (K1) zugeführt wird, in der in der flüssigen Phase enthaltener Ammoniak entfernt und die gereinigte Flüssigphase zwischengelagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Gärrest der ersten Fermentationsstufe (F1) abgetrennte Feststoffphase mit gereinigter Flüssigphase vermischt und der zweiten Fermentationsstufe (F2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohprodukt Biomasse in einer Ansetzstufe (A1) vorbehandelt wird, unter Zusetzung von ammoniakreduziertem Gärwasser aus dem Prozesskreislauf.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der ersten Fermentationsstufe (F1) erhaltene Feststoffphase in einer zweiten Ansetzstufe (A2) vorbehandelt wird, unter Zusetzung von ammoniakreduziertem Gärwasser aus dem Prozesskreislauf.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der ersten Fermentationsstufe abgetrennte Feststoffphase einer thermischen Behandlung (R1) bei Temperaturen von bis zu 180°C und einem Druck von bis zu 10 bar unterzogen wird, unter Zugabe von sauer oder alkalisch wirkenden Zusatzstoffen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Strippstufe (K1) unter erhöhtem Druck aus erwärmtem Gärwasser mittels Strippgas Ammoniak bis auf eine Konzentration von 0,5 mg/l abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das verunreinigte Strippgas in einer Waschstufe (K2) mittels einer sauren Waschlösung behandelt wird, wobei im Gasstrom enthaltener Ammoniak zu Ammonium- oder Phosphorsulfat oder anderen Salzen umgesetzt und ausgekreist wird.