DE102009040195A1

DE102009040195A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung fermentierbarer Substanzen

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Publication number: DE102009040195A1
Application number: DE102009040195A
Authority: DE
Inventors: S. Dr. Roelofs; W.J.H. Kuster
Original assignee: JWF BEHEER BV; ROMIL BEHEER BV
Current assignee: JWF BEHEER BV; ROMIL BEHEER BV
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-10
Also published as: WO2011026964A4; WO2011026964A3; BR112012005065A2; US20120171742A1; EP2475762A2; WO2011026964A2; CA2773179A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung fermentierbarer organischer Substanzen umfassend deren anaerobe Vergärung in einem Gärbehälter (10) sowie Einrichtungen zur Durchmischung des Gärguts, welche wenigstens teilweise außerhalb des Gärbehälters angeordnet sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zugeführte frische Gärgut zunächst einem ringförmigen Anmischbehälter (14) zugeführt, welcher sich ringförmig um den Gärbehälter herum erstreckt, in diesem Anmischbehälter wird das Gärgut auf einem Ringweg gefördert, zu einem dickflüssigen Brei vermischt und erst nach einer Verweildauer dem Anmischbehälter entnommen und dem Gärbehälter zugeführt. Durch die Erfindung wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Behandlung organischer Substanzen zur Verfügung gestellt, welche(s) mit konstruktiv einfachen technischen Mitteln eine effektive Durchmischung der organischen Substanzen oder des Gärguts bereits in der Phase vor der Zuführung zum zylindrischen Behälter oder Gärbehälter ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung fermentierbarer organischer Substanzen umfassend deren anaerobe Vergärung in wenigstens einem Gärbehälter sowie Einrichtungen zur Durchmischung des Gärguts, welche wenigstens teilweise außerhalb des Gärbehälters angeordnet sind. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Behandlung organischer Substanzen umfassend einen diese aufnehmenden wenigstens teilweise zylindrischen Behälter.
Aufgrund der in einiger Zeit zu erwartenden Erschöpfung der natürlichen Erdöl- und Erdgasressourcen ist man auf der Suche nach neuen Energieträgern, die sich dauerhaft nutzen lassen. Interessant sind dabei insbesondere Energieträger, die ein geringeres Gefahrenpotential aufweisen als die Kernkraft und die sich ohne Klimaschädigung nutzen lassen. Eine der bekannten Möglichkeiten, die Nutzung von Wasserstoff, hat den Nachteil, dass es sich um ein an der Luft hochexplosives Gas handelt, dessen Handhabung schwierig ist, so dass diese Technologie ein hohes Gefahrenpotential birgt. Andere bekannte Methoden zur Nutzung alternativer Energieträger in Form der so genannten nachwachsenden Rohstoffe, zum Beispiel die Gewinnung von Rapsölmethylester aus dem Rapsanbau, haben den Nachteil eines vergleichsweise niedrigen Ertrags pro Hektar Anbaufläche und sind daher zum vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe wenig geeignet.
Eine der Methoden zur Gewinnung von Energie aus alternativen Quellen, nämlich die Herstellung von Biogas (im wesentlichen Methan) aus Biomasse, hat in den letzten Jahren weiter an Bedeutung gewonnen. Dabei wird durch anaerobe Vergärung von Biomasse verschiedener Herkunft mittels Mikroorganismen Biogas gewonnen. Als Biomasse kann beispielsweise Gülle eingesetzt werden, die in Agrarbetrieben mit Rinderhaltung in großen Mengen anfällt. Alternativ kann auch beispielsweise Klärschlamm, Mist, Bioabfälle, Speisereste oder Biomasse aus gezielt angebauten Energiepflanzen verarbeitet werden. Es können außerdem andere organische Abfälle jeglicher Art in die Biomasse eingemischt werden. Das Biogas wird dann in der Regel anschließend verstromt und der Strom in das Netz eingespeist. Alternativ wird heute Biogas auch in zunehmendem Umfang nach einer Gasaufbereitung (Methananreicherung) in das öffentliche Gasnetz eingespeist. Die Behandlung des Gärguts erfolgt in meist größeren Behältern, in denen zunächst eine Hydrolyse erfolgt, bei der die Biopolymere enzymatisch in kleinere Bausteine wie Fettsäuren, Zucker, Aminosäuren zerlegt werden, die dann in der nachfolgenden Fermentation von anaeroben Bakterien zu kleinen organischen Säuren und schließlich zu Essigsäure umgesetzt werden. Aus der Essigsäure entsteht dann in der weiteren Umsetzung Methan.
Für die Durchmischung des Gärmediums in Gärbehältern für die Biogasherstellung werden nach dem Stand der Technik heute überwiegend Rührwerke beispielsweise Tauchrührwerke verwendet. Seltener werden auch beispielsweise wie in der DE 37 37 870 A1 beschrieben plattenförmige Mischkörper eingesetzt, die im Behälter mechanisch auf und ab bewegt werden.
In der DE 10 2007 024 947 A1 ist ein Biogasfermenter beschrieben, bei dem ein axiales Rührwerk zur Umwälzung der Biomasse im Faulraum außerhalb des eigentlichen Fermenters angeordnet ist. Dabei wird Biomasse aus dem Faulraum in Umwälzungsrohre eingesaugt, durch ein in dem Rohr angeordnetes Rührwerk durchmischt und wieder in den Fermenter zurückgepumpt. Es wird hier darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Rührwerken, die innerhalb des Faulraums selbst angeordnet sind, nachteilig sein kann. Beispielsweise ist es bei einem Defekt notwendig, den kompletten Faulraum zu entleeren. Außerdem bereitet die Inhomogenität und Zähigkeit der im Faulraum befindlichen Biomasse Probleme bei der Umwälzung mittels herkömmlicher Rührwerke. Die hier beschriebene Lösung schlägt vor, das Rührwerk in den Bereich außerhalb des Faulraums zu verlagern. Da allerdings die Biomasse aus dem Faulraum in Umwälzungsrohre eingesaugt wird und ebenfalls über Rohre wieder in den Faulraum zurückgepumpt wird, ergeben sich strömungstechnische Behinderungen bedingt durch die vergleichsweise geringen Querschnitte dieser Rohre. Außerdem ist bauartbedingt der Anteil der Biomasse, der jeweils eine Durchmischung erfährt, vergleichsweise gering bezogen auf den Gesamtanteil des Volumens der Biomasse im Behälter. Auch neue Biomasse wird bei dieser bekannten Anlage dem Gärbehälter über eine rohrförmige Zuführungsvorrichtung zugeführt, wodurch sich entsprechende Einschränkungen ergeben.
Bei einer Biogasanlage ist es vorteilhaft, bereits in der Anmischphase einen vergleichsweise dickflüssigen energiereichen Brei aus dem Gärgut herzustellen. Ein solcher dickflüssiger Brei ist jedoch schlecht pumpfähig. Daher ist die Verwendung von Rohren mit begrenztem Querschnitt ebenso nachteilig wie zu lange Pumpwege, da dann das dickflüssige Gärgut über längere Wege angesaugt werden muss.
Hier setzt die vorliegende Erfindung ein. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Behandlung organischer Substanzen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welche(s) mit konstruktiv einfachen technischen Mitteln eine effektive Durchmischung der organischen Substanzen oder des Gärguts bereits in der Phase vor der Zuführung zum zylindrischen Behälter oder Gärbehälter ermöglicht. Weiterhin wird angestrebt, dem Gärbehälter möglichst dickflüssiges und homogenes Medium mit einem möglichst geringen Wassergehalt zuzuführen, um so die Ausbeute bei der Biogasherstellung zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen eines der Vorrichtungsansprüche 8 oder 9.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das zugeführte frische Gärgut zunächst einem ringförmigen Anmischbehälter zugeführt wird, welcher sich ringförmig um den Gärbehälter herum erstreckt, in diesem Anmischbehälter das Gärgut zu einem dickflüssigen Brei vermischt und dieses erst nach einer Verweildauer dem Anmischbehälter entnommen und dem Gärbehälter zugeführt wird. Die zu behandelnden organischen Produkte werden also zunächst dem ringförmigen Anmischbehälter zugeführt, der durch eine Wandung von dem eigentlichen Behälter, insbesondere Gärbehälter, getrennt ist, was den Vorteil hat, dass der Gärvorgang im Hauptbehälter von dem Prozess des Anmischens unabhängig verläuft. Der Anmischbehälter kann dabei im Fassungsvolumen kleiner, insbesondere wesentlich kleiner sein als der Haupt(gär)behälter. Das neue Behandlungsgut wird in diesem Anmischbehälter effektiv vermischt und erst nach einem definierten Zeitraum dem Hauptbehälter (Gärbehälter) zugeführt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Verweildauer in dem Anmischbehälter nach Bedarf gewählt und variiert werden kann. In dem Anmischbehälter kann dann bei Fermentationspropzessen bevorzugt bereits eine Hydrolyse des Gärguts stattfinden. Im Anmischbehälter wird bereits ein weitgehend homogenes, insbesondere dickflüssiges Gemisch erzeugt, so dass dem Hauptbehälter homogenes neues Gärgut zu einem definierten Zeitpunkt zugeführt wird, welches einen möglichst geringen Wassergehalt hat. Dadurch lässt sich ein gleichmäßigerer Gärvorgang im Hauptbehälter erzielen.
Grundsätzlich kann nach einer Abwandlung des vorgenannten Prinzips im Rahmen der Erfindung der Anmischbehälter auch teilringförmig ausgebildet sein und sich teilweise am Umfang um den Gärbehälter herum erstrecken.
Die Durchmischung im Anmischbehälter kann durch Rührwerke erfolgen, die beispielsweise seitlich an dessen Wänden angeordnet werden. Dabei stört es nicht, wenn Fremdkörper wie beispielsweise Steine mit dem Gärgut in den Anmischbehälter gelangen, da diese Fremdkörper im Anmischbehälter auf den Boden fallen und man vorzugsweise ein Vakuum-Druck-Pumpsystem verwenden kann, um das Gärgut aus dem Anmischbehälter heraus und in den Gärbehälter zu fördern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Pumpsystemen kommt das Gärgut dabei nicht mit mechanischen Teilen einer Pumpe in Berührung, die durch derartige Fremdkörper beschädigt würden. Im Gärbehälter selbst können herkömmliche Rührwerke verwendet werden.
Das frische Behandlungsgut kann in dem ringförmigen Anmischbehälter mehrfach im Kreis gefördert werden, solange bis der gewünschte Durchmischungsgrad und gegebenenfalls bei Hydrolyse Abbauzustand erreicht ist. Man hat so auch eine bessere Kontrolle über die Menge des neu zugemischten Behandlungsguts.
Bevorzugt ist die Breite des sich ringförmig um den Gärbehälter herum erstreckenden Anmischbehälters geringer als der Radius des zylindrischen Teils des Gärbehälters, wobei vorzugsweise die Breite des Anmischbehälters weniger als die Hälfte des Radius des zylindrischen Teils des Gärbehälters beträgt. Bevorzugt ist auch die Höhe des Anmischbehälters geringer als die Höhe des zylindrischen Teils des Gärbehälters, wobei der Anmischbehälter vorzugsweise im Bodenbereich des Gärbehälters, insbesondere unterhalb des den Behälter umgebenden Bodenniveaus angeordnet ist. Die Menge des Behandlungsguts im Anmischbehälter beträgt somit bevorzugt nur einen Bruchteil der Menge des Gärguts im Gärbehälter.
Im Anmischbehälter kann aus den frisch zugeführten organischen Substanzen ein dickflüssiger Brei angemischt werden, beispielsweise mit einer Trockensubstanz von 20% bis 35%. Dies hängt jedoch stark davon ab, welche Substanzen zugemischt werden. Neben den üblichen vergärbaren organischen Substanzen für die Herstellung von Biogas (insbesondere Gülle) eignen sich als Ausgangssubstanzen oder Beimischung beispielsweise Mais, Grassilage, Getreideschrot, Brotabfälle und dergleichen oder auch Flüssigkeiten wie zum Beispiel Glycerin.
Ein weiterer Vorteil des ringförmigen Anmischbehälters ergibt sich aus dessen Geometrie. Dieser hat anders als ein eckiger Behälter keine Totzonen, wodurch sich wesentlich einfacher eine gleichmäßige Durchmischung erreichen lässt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann man das Prinzip auch anwenden auf Silos oder Behälter zur Lagerung von organischem Material, um die herum man einen ringförmigen oder nur teilringförmigen Anmischbehälter anordnet. Die Gärprozesse könnten in diesem Fall beispielsweise in einem weiteren separaten Behälter stattfinden. Allerdings macht dies verfahrenstechnisch nur dann Sinn, wenn sich der eigentliche Gärbehälter in nicht zu großer Entfernung von dem Anmischbehälter befindet, um zu große Pumpwege zu vermeiden.
Bevorzugt wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein Vakuum-Druck-Pumpsystem verwendet, um das Behandlungsgut vom Anmischbehälter in den Gärbehälter zu fördern. Dieses Pumpsystem eignet sich besonders zum Pumpen von dickflüssigen zähen Medien. Selbst wenn diese Fremdkörper wie Steine oder dergleichen enthalten ist das nicht störend. Das Behandlungsgut wird dabei durch Unterdruck zunächst angesaugt, beispielsweise in einen Tank und dann mittels Druckluft aus diesem herausgepresst in den jeweiligen Behälter. Es besteht anders als bei der Verwendung herkömmlicher Pumpen mit bewegten mechanischen Bauteilen nicht die Gefahr, dass diese durch Fremdkörper beschädigt werden. Das Behandlungsgut wird demnach nicht durch eine herkömmliche mechanische Pumpe unmittelbar vom Anmischbehälter in den Gärbehälter gepumpt, sondern erst aus dem Anmischbehälter abgesaugt und dann in den Gärbehälter gepresst.
Es können beispielsweise jeweils nur kleinere Mengen (bezogen auf die Gesamtmenge des Behandlungsguts, welches in der Anlage verarbeitet werden kann) in den Anmischbehälter gepumpt werden. Es ist vorteilhaft, wenn der Anmischbehälter im Betrieb der Anlage stets mindestens teilweise gefüllt ist. Wird von dem durchmischten Behandlungsgut ein Teil aus dem Anmischbehälter in den Gärbehälter gepumpt, kann frisches Behandlungsgut in den Anmischbehälter nachgepumpt werden, um den Füllstand (in der Regel nur Teilfüllung) im Anmischbehälter etwa konstant zu halten. Wenn festgestellt wird, dass im Anmischbehälter noch kein homogenes Gemisch vorliegt, lässt sich die Verweildauer im Anmischbehälter verlängern. Bei anaerober Vergärung fermentierbarer organischer Medien tritt im ringförmigen Anmischbehälter Hydrolyse ein, wenn die Verweildauer im Anmischbehälter beispielsweise ein oder mehrere Tage beträgt. Das weitgehend homogene bereits hydrolysierte Gärgut kann dann zur weiteren Fermentierung in den Hauptgärbehälter gepumpt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung in den Anmischbehälter zu füllendes frisches Gärgut zunächst aus einem Vorratsbehälter in einen Tank (des Vakuum-Druck-Pumpsystems) gepumpt (gesaugt) und erst danach aus dem Tank in den Anmischbehälter gepumpt (gedrückt) wird und/oder aus dem Anmischbehälter entnommenes vorbehandeltes Gärgut zunächst in einen Tank gepumpt und dann in den Gärbehälter gepumpt wird und/oder fermentiertes Gärgut erst aus dem Gärbehälter in einen Tank gepumpt und dann aus dem Tank in ein Endlager (Lagerbehälter) gepumpt wird. Mit anderen Worten, das frische Gärgut wird demnach nicht direkt in den Anmischbehälter gepumpt, sondern zunächst in den Tank des Vakuum-Druck-Pumpsystems. Die dazu benutzte Pumpe befindet sich außerhalb dieses Tanks und außerhalb des für den Fördervorgang des Gärguts benutzten Leitungswegs. Die Pumpe selbst kommt somit nicht mit dem Gärgut in Berührung. Man kann für das Ansaugen des Mediums in den Tank des Vakuum-Druck-Pumpsystems und für das Herauspressen des Mediums aus diesem gegebenenfalls das gleiche Leitungssystem benutzen.
Es wird also vorzugsweise nicht Gärgut vom Anmischbehälter direkt in den Gärbehälter transferiert, sondern immer vermittels des zwischengeschalteten Tanks. Wenn dabei Steine oder andere Fremdkörper mitgesaugt werden ist dies nicht störend.
Wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung der Tank des Vakuum-Druck-Pumpsystems sowohl in der Nähe des Anmischbehälters als auch in der Nähe des Gärbehälters angeordnet ist, ergibt sich der weitere Vorteil, dass der gleiche Tank und das gleiche Vakuum-Druck-Pumpsystem dazu benutzt werden können, um frisches Gärgut in den Anmischbehälter zu pumpen, um den Anmischbehälter zu entleeren und um das bereits im Anmischbehälter vorbehandelte Gärgut in den Gärbehälter zu pumpen und aus dem Gärbehälter ausgegorenes Gärgut (Gärrest) zu entnehmen. Die Pumpwege sind somit sehr kurz, was bei hoher dynamischer Viskosität des Gärguts von Vorteil ist. Hierbei ist es beispielsweise auch vorteilhaft, wenn der Anmischbehälter unterhalb des den Gärbehälter umgebenden Bodenniveaus angeordnet ist, so dass der Tank neben dem Gärbehälter und oberhalb des tiefer liegenden Anmischbehälters angeordnet werden kann und sich daher in unmittelbarer Nähe zu beiden Behälter befindet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Behandlung organischer Substanzen umfassend einen diese aufnehmenden wenigstens teilweise zylindrischen Behälter, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass diese weiterhin einen ringförmigen oder teilringförmigen Anmischbehälter umfasst, dem die zu behandelnden organischen Substanzen zugeführt werden, welcher sich ringförmig oder teilringförmig am Umfang um den zylindrischen Behälter herum erstreckt, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um die Substanzen in den Anmischbehälter zu fördern und von dem ringförmigen Anmischbehälter in den zylindrischen Behälter zu fördern. Der genannte wenigstens teilweise zylindrische Behälter kann beispielsweise ein rundes Silo, ein Becken oder ein Behälter sein, in dem organische Substanzen aufgenommen sind. Der Anmischbehälter erstreckt sich ringförmig vorzugsweise konzentrisch zur Achse des Behälters um diesen herum. Der Anmischbehälter kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Vorrichtung zur Behandlung fermentierbarer organischer Substanzen durch anaerobe Vergärung in einem Gärbehälter umfassend Einrichtungen zur Durchmischung des Gärguts, welche wenigstens teilweise außerhalb des Gärbehälters angeordnet sind, wobei diese dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen ringförmigen oder teilringförmigen Anmischbehälter umfasst, dem das frische Gärgut zugeführt wird, welcher sich ringförmig oder teilringförmig am Umfang um den Gärbehälter herum erstreckt, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um das Gärgut in den Anmischbehälter zu fördern sowie Einrichtungen, um das Gärgut vom Anmischbehälter in den Gärbehälter zu fördern. Dieser Gärbehälter ist insbesondere ein Behälter zur Herstellung von Biogas aus vergärbaren organischen Substanzen. In dem Anmischbehälter wird insbesondere ein möglichst dickflüssiger energiereicher Substanzbrei hergestellt, der dann bevorzugt mittels Druckluft in den Gärbehälter gepumpt werden kann. Dieses Gemisch kommt nicht in direkten Kontakt mit mechanischen Teilen einer Pumpe und es ergeben sich in vorteilhafter Weise vergleichsweise kurze Pumpwege.
Der erfindungsgemäße Anmischbehälter bildet somit eine ringförmige sich um einen Gärbehälter oder ein Silo herum erstreckende Mischvorrichtung, in der bereits der Fermentierungsvorgang beginnen kann. Insbesondere kann bei der anaeroben Vergärung mittels Bakterien zur Herstellung von Biogas die Hydrolyse bereits in dem Anmischbehälter erfolgen. Dies hängt unter anderem ab von der Art der Biomasse und der Verweildauer in dem Anmischbehälter. Gegebenenfalls können auch weitere Zersetzungs- und Fermentationsschritte bereits in dem Anmischbehälter erfolgen, beispielsweise die Acidogenese/Acetogenese, wobei organische Bausteine der Biomasse durch anaerobe Bakterien zu Säuren umgesetzt werden und folglich der pH-Wert in dem Gemisch sinkt.
Der ringförmige Anmischbehälter kann beispielsweise eine geringere Höhe aufweisen als der Gärbehälter und der Anmischbehälter kann auch beispielsweise unter dem Boden-Niveau der Umgebung angeordnet sein (also quasi in den Boden eingelassen.) In diesem Fall handelt es sich um eine Art Hydrolysekeller, der sich ringsum um den Gärbehälter erstreckt, welcher ebenfalls mit seinem untersten Bereich beispielsweise in den Boden eingelassen sein kann. Dies kann vorteilhaft sein, um das Gärgut in dem Anmischbehälter kühler zu halten oder eine gleichmäßigere Temperatur unabhängig von der Jahreszeit zu erreichen. Der Gärbehälter selbst ist bei der Herstellung von Biogas meist nur in seinem unteren Teilbereich zylindrisch und hat nach oben hin anschließend einen Dom oder eine Glocke, in der sich das Biogas sammelt.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung weiterhin ein Vakuum-Druck-Pumpsystem, um die organischen Substanzen oder das Gärgut zu fördern, umfassend einen Tank, an den ein Vakuum anlegbar ist, um die organischen Substanzen oder das Gärgut anzusaugen und der eine Schließvorrichtung umfasst, wobei die organischen Substanzen oder das Gärgut anschließend mittels Druckluft aus dem Tank ausbringbar sind. Vorzugsweise umfasst dieses Vakuum-Druck-Pumpsystem wenigstens eine außerhalb des Tanks angeordnete Pumpe sowie wenigstens eine von der Pumpe zum Tank führende Leitung für Luft, um den Tank mit Druckluft zu beaufschlagen oder einen Unterdruck an den Tank anzulegen. Dies schafft die Möglichkeit, auch dickflüssiges Medium, welches gegebenenfalls Fremdkörper enthält, in den Tank zu saugen und anschließend durch Beaufschlagung des Tanks mit Druckluft aus diesem auszubringen.
Besonders bevorzugt umfasst der Anmischbehälter ein von dem Gärbehälter abgetrenntes Volumen, wobei wenigstens eine Leitung für Gärgut von dem Anmischbehälter zu dem Tank verläuft, um den Anmischbehälter zu befüllen oder zu entleeren, und wobei wenigstens eine Leitung von dem Tank zum Gärbehälter verläuft, um den Gärbehälter zu befüllen oder zu entleeren, so dass man beispielsweise mit nur einem Tank sowohl den Anmischbehälter als auch den Gärbehälter befüllen oder entleeren kann. Es ist hingegen nicht vorgesehen, dass das Gärgut direkt über eine Öffnung im Anmischbehälter oder eine Leitung vom Anmischbehälter unmittelbar in den Gärbehälter gelangen kann.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anlage mit Gärbehälter und ringförmigem Anmischbehälter;
2 einen Längsschnitt durch die Anlage von 1;
3 eine teils schematisierte Detailansicht eines erfindungsgemäßen Vakuum-Druck-Pumpen-Systems zum Fördern des Gärguts in fünf verschiedenen Arbeitsphasen;
4 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage in sechs verschiedenen Arbeitsphasen.
Es wird zunächst auf die 1 und 2 Bezug genommen und anhand dieser wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer möglichen Ausführungsform näher erläutert. Es ist ein Gärbehälter 10 dargestellt, der in seinem unteren Bereich 11 zylindrisch ausgebildet ist und der in seinem oberen Bereich einen gewölbten Dom 12 aufweist, der nach oben hin abgeschlossen ist, so dass sich unterhalb dieses Doms 12 das erzeugte Biogas sammeln kann. Das Biogas kann dann abgeleitet werden und zur Erzeugung von Strom in beispielsweise einem benachbarten Blockheizkraftwerk 13 dienen. Wie man insbesondere aus 2 erkennen kann, ist der Gärbehälter 10 im unteren Teil des zylindrischen Bereichs 11 außen konzentrisch von einem ringförmigen im Querschnitt rechteckigen Anmischbehälter 14 umgeben, wobei letztere so positioniert ist, dass er unten mit dem Boden 15 des Gärbehälters 10 horizontal fluchtend abschließt, während der Anmischbehälter 14 oben etwa in Höhe der Bodenoberfläche 16 des die Anlage umgebenden Geländes abschließt. Der Anmischbehälter 14 ist somit quasi in den Boden eingelassen und er weist insgesamt eine wesentlich geringere Gesamthöhe auf als der Gärbehälter. Entsprechend ist auch das Fassungsvolumen des Anmischbehälters 14 um ein mehrfaches geringer als dasjenige des Gärbehälters 10.
Ein biologischer Luftfilter 17 dient in der Regel dazu, die Belastung der Umgebung durch unangenehme Gerüche zu beseitigen. Der ringförmige Anmischbehälter 14 ist an seiner radial inneren Seite durch eine beispielsweise mit dem zylindrischen Bereich 11 fluchtende Trennwand 18 von dem Innenraum 19 des Gärbehälters 10 getrennt. Ein Vakuum-Druck-Pumpsystem 20 dient dazu den Anmischbehälter 14 und den Gärbehälter 14 zu befüllen. Dieses Vakuum-Druck-Pumpensystem 20 kann auf dem Niveau der Bodenoberfläche 16 angeordnet sein, so dass es sich oberhalb des Anmischbehälters 14 befindet. Ausserdem ist das Vakuum-Druck-Pumpensystem bevorzugt in geringer Entfernung zu Gärbehälter 10 und Anmischbehälter 14 angeordnet, um so kurze Pumpwege sicher zu stellen.
Die Funktionsweise des Vakuum-Druck-Pumpsystems 20 wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 näher erläutert. Dieses Pumpsystem umfasst einen Tank 21 mit Anschlüssen 22, 23, für eine oder mehrere Pumpen, so dass man das Innere des Tanks mit Vakuum oder Druckluft beaufschlagen kann. In der ersten Abbildung oben links in 3 ist dieser Tank 21 leer. Aus einem schematisch dargestellten Vorratsbehälter 24 kann über eine Leitung 25 Gärgut 26 in den Tank 21 gesaugt werden, wenn zuvor ein Unterdruck von beispielsweise 0,5 bar an den Innenraum des Tanks 21 angelegt wird, so dass dieser dann in der Folge bis zu einem vorgegebenen Füllstand, der beispielsweise durch einen Schwimmer oder dergleichen vorgegeben wird, befüllt werden kann. Man kann auch alternativ den Füllstand zum Beispiel über Wiegezellen oder ähnliche Einrichtungen kontrollieren (das heißt der Tank mit Inhalt wird gewogen.) In der zweiten Abbildung oben rechts ist dargestellt, wie der Tank 20 auf diese Weise über die Leitung 25 aus dem Vorratsbehälter 24 allmählich mit Gärgut 26 gefüllt wird.
Die dritte Abbildung von 3 in der Mitte links zeigt den Zustand nach der Befüllung des Tanks 21, wobei der Vorrat an Gärgut aus dem Vorratsbehälter 24 in den Tank 21 gesaugt wurde. Es kann dann der Prozess der Entleerung des Tanks 21 beginnen, bei dem wie in der vierten Abbildung in 3 unten rechts dargestellt das Innere des Tanks 21 beispielsweise über den Anschluss 22 mit einem Überdruck von beispielsweise 1,5 bar beaufschlagt wird, so dass dadurch das Gärgut aus dem Tank 21 über eine weitere Leitung 27 in einen weiteren hier nur schematisch dargestellten Behälter gepumpt werden kann, beispielsweise in den ringförmigen Anmischbehälter 14 wie er in 2 dargestellt ist.
In der fünften Darstellung, in 3 links unten dargestellt, ist der Tank 21 geleert und das Gärgut befindet sich in dem Anmischbehälter 14. Somit kann das Gärgut über den Tank 21 aus dem Vorratsbehälter 24 in den Anmischbehälter 14 transferiert werden, ohne dass die Pumpe, die im Tank Unterdruck bzw. Überdruck erzeugt oder das Leitungssystem zwischen Pumpe und Tank überhaupt mit dem Gärgut in Berührung kommen. Das Gärgut wird vielmehr durch Unterdruck aus dem einen Behälter 24 in den Tank 21 gesaugt und durch Überdruck aus dem Tank 21 wieder heraus gepresst in den anderen Behälter 14. Die Pumpe kann daher auch nicht durch Verunreinigungen im Gärgut beeinträchtigt werden.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die sechs schematischen Darstellungen von 4 näher erläutert. 4 zeigt in der ersten Darstellung oben links den Gärbehälter 10 und den Anmischbehälter 14. Ebenfalls dargestellt ist der zuvor beschriebene Tank 21, in den über die Anfuhrleitung 25 aus einem nicht dargestellten Vorrat an Gärgut aufgrund des Unterdrucks in dem Tank 21 das Gärgut in diesen eingesaugt wird. Die Pumpe 28, die Luft aus dem Tank 21 über die Leitung 29 absaugt ist ebenfalls schematisch dargestellt. Der Tank 21 ist in der Darstellung bereits weitgehend mit dem Gärgut gefüllt.
Die zweite Darstellung in 4 links in der Mitte zeigt den Vorgang des Pumpens des Gärguts aus dem Tank 21 über eine Zuführleitung 30 in den Anmischbehälter 14. Dazu wird der Innenraum des Tanks 21 mit Druck beaufschlagt, wobei dieser durch die Pumpe 28 erzeugt wird, die in diesem Fall Druckluft über die Leitung 29 in den Tank 21 gibt anstatt zu saugen. Auf diese Weise kann zunächst der Anmischbehälter 14 mit dem frischen Gärgut gefüllt werden, welches eine Zeit lang in dem Anmischbehälter verbleibt, beispielsweise 1, 2 Tage oder länger.
Die dritte Darstellung in 4 links unten zeigt den Vorgang des Ansaugens von Gärgut aus dem Anmischbehälter 14 heraus in den Tank 21, wobei in diesem Fall die Pumpe 28 wieder ansaugt, so dass im Tank 21 ein Unterdruck entsteht und das Gärgut über die Leitung 30 wieder in den Tank gesaugt wird, nachdem es für die Dauer der Hydrolysephase in dem Anmischbehälter 14 geblieben ist.
Die vierte Darstellung in 4 rechts oben zeigt wie das Gärgut nun aus dem Tank 21 heraus über die Leitung 31 in den Gärbehälter 10 gepumpt wird, indem dieser mittels der Pumpe 28 mit Druckluft beaufschlagt wird. Hier kann eventuell zumindest teilweise das gleiche Leitungssystem für den Pumpvorgang genutzt werden oder der Tank 21 hat mehrere Ausgänge für Gärgut wie in der Schemazeichnung angedeutet.
Nachdem das Gärgut die vorgesehene Zeitdauer lang in dem Gärbehälter 10 verblieben ist und die Fermentation abgeschlossen ist, wird wie in der fünften Darstellung von 4 rechts Mitte gezeigt das Gärgut wieder aus dem Gärbehälter 10 zurück in den Tank 21 gepumpt, indem die Pumpe 28 wieder ansaugt, so dass ein Unterdruck in dem Tank 21 entsteht.
Schließlich wird in einem abschließenden Schritt gemäß der sechsten schematischen Darstellung von 4 rechts unten durch Druckbeaufschlagung des Tanks 21 das Gärgut (Gärrest) aus diesem heraus über eine Leitung 32 in ein Endlager gepumpt. Hier kann gegebenenfalls teilweise das gleiche Leitungssystem benutzt werden welches auch für die Anfuhr von frischem Gärgut zum Tank dient (siehe 4 erste Skizze). Der Tank kann aber auch über eine entsprechende Anzahl verschiedener Ausgänge verfügen. Es versteht sich, dass entsprechende Ventile an den Eingängen/Zuleitungen und Ausgängen/Abfuhrleitungen oder Stutzen des Tanks vorgesehen sind, um wahlweise die verschiedenen genannten Funktionen bei der Befüllung bzw. Entleerung des Tanks zu ermöglichen und die jeweils benötigten Eingänge/Ausgänge und/oder Leitungen zu öffnen oder zu schließen.
Bei dem Betrieb einer Biogasanlage mit einem Anmischbehälter 14 gemäß der vorliegenden Erfindung ist man in der Regel bestrebt, in der Anmischphase/Hydrolysephase einen möglichst dickflüssigen energiereichen Brei herzustellen. Man pumpt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt jeweils kleinere Portionen des Gärprodukts aus dem Anmischbehälter 14 in den Tank 21 und dann von dem Tank in den Gärbehälter 10. Den Anmischbehälter lässt man vorzugsweise immer teilweise gefüllt. Wenn dieser Anmischbehälter beispielsweise einen Inhalt von 400 m³ hat, pumpt man beispielsweise aus dem Anmischbehälter pro Tag 100 m³ über den Tank in den Gärbehälter 10. Einige Male pro Woche mischt man wieder frisches Gärgut aus einem Vorrat zunächst in den Tank 21 und dann von diesem aus in den Anmischbehälter 14. Vorzugsweise führt man das Verfahren so, dass der Anmischbehälter 14 immer teilweise, beispielsweise immer etwa halb gefüllt bleibt. Eine Verweildauer des Gärguts im Anmischbehälter zur Erzielung einer Hydrolyse liegt bevorzugt bei etwa zwei Tagen oder länger. In der Hydrolysephase (ebenso wie bei der nachfolgenden Gärung im Hauptbehälter) ist es wichtig darauf zu achten, dass unter Ausschluss von Sauerstoff gearbeitet wird. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch darin, dass beim Fördern von frischem Gärgut in den Anmischbehälter 14 das dort vorhandene Gärgut verdrängt wird und bedingt durch die Ringform des Anmischbehälters in diesem das Gärgut quasi auf einem Kreisweg gefördert wird. Dadurch vermischt sich das zugesetzte frische Gärgut im Einleitungsbereich mit solchem Gärgut, welches bereits eine längere Verweildauer im Anmischbehälter hat.
Bezugszeichenliste

10: Gärbehälter
11: unterer zylindrischer Bereich
12: Dom
13: Blockheizkraftwerk
14: Anmischbehälter
15: Boden des Gärbehälters
16: Bodenoberfläche der Umgebung
17: biologischer Luftfilter
18: Trennwand
19: Innenraum
20: Vakuum-Druck-Pumpsystem
21: Tank
22: Anschluss
23: Anschluss (Stutzen)
24: Vorratsbehälter
25: Leitung
26: Gärgut
27: Leitung
28: Pumpe
29: Leitung
30: Leitung
31: Leitung
32: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3737870 A1 [0004]
DE 102007024947 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Behandlung fermentierbarer organischer Substanzen umfassend deren anaerobe Vergärung in wenigstens einem Gärbehälter sowie Einrichtungen zur Durchmischung des Gärguts, welche wenigstens teilweise außerhalb des Gärbehälters angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte frische Gärgut zunächst einem ringförmigen oder teilringförmigen Anmischbehälter (14) zugeführt wird, welcher sich ringförmig oder teilringförmig um den Gärbehälter (10) herum erstreckt, in diesem Anmischbehälter das Gärgut zu einem dickflüssigen Brei vermischt und dieses erst nach einer Verweildauer dem Anmischbehälter entnommen und dem Gärbehälter zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärgut in dem ringförmigen Anmischbehälter angemischt und hydrolisiert wird, bevor es in den Gärbehälter gepumpt wird zur weiteren Fermentierung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärgut mittels eines Vakuum-Druck-Pumpsystems (20) in den Anmischbehälter (14) und/oder innerhalb des ringförmigen Anmischbehälters gefördert und/oder aus dem Anmischbehälter heraus gefördert oder in den Gärbehälter (10) gefördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärgut im Anmischbehälter zu einem dickflüssigen Brei mit vorzugsweise 20% bis 35% Trockensubstanz angemischt wird, bevor es in den Gärbehälter gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils nur ein Bruchteil des in dem ringförmigen Anmischbehälter befindlichen angemischten Gärguts aus diesem entnommen und in den Gärbehälter gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Anmischbehälter während des Betriebs der Anlage immer teilweise mit Gärgut gefüllt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Anmischbehälter (14) zu füllendes frisches Gärgut zunächst aus einem Vorrat in einen Tank (21) gepumpt und erst danach aus dem Tank in den Anmischbehälter gepumpt wird und/oder aus dem Anmischbehälter entnommenes vorbehandeltes Gärgut zunächst in einen Tank (21) gepumpt und dann in den Gärbehälter (10) gepumpt wird und/oder fermentiertes Gärgut erst aus dem Gärbehälter in einen Tank (21) gepumpt und dann aus dem Tank in ein Endlager gepumpt wird.
Vorrichtung zur Behandlung organischer Substanzen umfassend einen diese aufnehmenden wenigstens teilweise zylindrischen Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin einen ringförmigen oder teilringförmigen Anmischbehälter (14) umfasst, dem die zu behandelnden organischen Substanzen zugeführt werden, welcher sich ringförmig oder teilringförmig um den zylindrischen Behälter (10) herum erstreckt, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um die Substanzen in den Anmischbehälter zu fördern und von dem ringförmigen Anmischbehälter in den zylindrischen Behälter zu fördern.
Vorrichtung zur Behandlung fermentierbarer organischer Substanzen durch anaerobe Vergärung in einem Gärbehälter umfassend Einrichtungen zur Durchmischung des Gärguts, welche wenigstens teilweise außerhalb des Gärbehälters angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen ringförmigen oder teilringförmigen Anmischbehälter (14) umfasst, dem das frische Gärgut zugeführt wird, welcher sich ringförmig oder teilringförmig um den Gärbehälter (10) herum erstreckt, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um das Gärgut in den Anmischbehälter zu fördern sowie Einrichtungen, um das Gärgut vom Anmischbehälter in den Gärbehälter zu fördern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des sich ringförmig um den Gärbehälter (10) herum erstreckenden Anmischbehälters (14) geringer ist als der Radius des zylindrischen Teils des Gärbehälters, wobei vorzugsweise die Breite des Anmischbehälters weniger als die Hälfte des Radius des zylindrischen Teils des Gärbehälters beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Anmischbehälters (14) geringer ist als die Höhe des zylindrischen Teils des Gärbehälters (10), wobei der Anmischbehälter vorzugsweise im Bodenbereich des Gärbehälters, insbesondere unterhalb des den Behälter umgebenden Bodenniveaus (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vakuum-Druck-Pumpsystem (20) vorgesehen ist, um die organischen Substanzen oder das Gärgut zu fördern, umfassend einen Tank (21), an den ein Vakuum anlegbar ist, um die organischen Substanzen oder das Gärgut anzusaugen und der eine Schließvorrichtung umfasst, wobei die organischen Substanzen oder das Gärgut anschließend mittels Druckluft aus dem Tank ausbringbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anmischbehälter (14) ein von dem Gärbehälter (10) abgetrenntes Volumen umfasst, dass wenigstens eine Leitung (30) für Gärgut von dem Anmischbehälter (14) zu dem Tank (21) verläuft, um den Anmischbehälter zu befüllen oder zu entleeren, und dass wenigstens eine Leitung (31) von dem Tank (21) zum Gärbehälter (10) verläuft, um den Gärbehälter zu befüllen oder zu entleeren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum-Druck-Pumpsystem (20) wenigstens eine außerhalb des Tanks (21) angeordnete Pumpe (28) umfasst sowie wenigstens eine von der Pumpe zum Tank führende Leitung (29) für Luft, um den Tank mit Druckluft zu beaufschlagen oder einen Unterdruck an den Tank anzulegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens teilweise zylindrische Behälter (10) ein Silo oder Lagerbehälter ist und insbesondere zur Lagerung von Gülle, Gärgut oder anderem organischen Material dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens teilweise zylindrische Behälter (10) ein Gärbehälter zur Herstellung von Biogas ist und der diesen umgebende ringförmige oder teilringförmige Anmischbehälter (14) ein Hydrolysebehälter ist.