DE102011120888B3 - Degradation of biogenic material, comprises carrying out thermo-mechanical pulping and recycling food ingredients and other organic waste including fermentation residues in multistage system by homogenizing in mixing- and grinding system - Google Patents

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Abstract

Degradation of biogenic material, comprises: carrying out the thermo-mechanical pulping and recycling the ingredients of food residues and other organic waste including the fermentation residues in a multistage system. The raw material to be recovered are homogenized in a rotating mixing- and grinding system (1), diluted with water from the circulating system and a continuously operating thermo-compression hydrolysis system (2) at 130-150[deg] C. The biogas produced in the anaerobic operating step floats in a floating bed reactor and has a methane content of >= 80%. Degradation of biogenic material, comprises: carrying out the thermo-mechanical pulping and recycling the ingredients of food residues and other organic waste including the fermentation residues in a multistage system. The raw material to be recovered are homogenized in a rotating mixing- and grinding system (1), diluted with water from the circulating system and a continuously operating thermo-compression hydrolysis system (2) at 130-150[deg] C. The biogas produced in the anaerobic operating step floats in a floating bed reactor and has a methane content of >= 80%. The remaining organic substance degraded in the aerobic operating stages equipped with a membrane ventilation system in the downstream. The hydrogen-consuming methane production compared to the acetate-consuming methane formation amplifies an increase in the hydrogen concentration in the substrate by hydrogen-forming microorganisms. The sewage sludge is used as an initiator and mediator for enhanced hydrogen-consuming methane formation. The remaining coarse solids are separated, dried and pelletized by separation according to thermo-compression hydrolysis and the pre-hydrolysis. The separation of the resulting centrifugate is carried out using water, to a dry matter content of 3-5% and a methane content of maximum of 2500 mg/l, and a working temperature is adjusted to 30-55[deg] C, where acid forming microorganism cultures are inoculated in a hydrolysis tank such that the acids required for the production of biogas are formed in anaerobic conditions, and a pH is adjusted to 6.5-7. The promotion of the pre-hydrolyzed substrate is carried out in the floating bed reactor for anaerobic biogas production at a temperature of 35-50[deg] C in the up flow principle. The carbon-containing cleavage products and microorganisms, which are discharged from the reactor, are concentrated by the external insertion of a micro- or ultra-filtration stage in the end of the anaerobic reactor or many reactors connected in parallel or in series, such that long chain cleavage products, and microorganisms are returned to the biogas process. The separated filtrate is further purified on a floating bed column (8) under aerobic conditions and then subjected to a thermization at 60-75[deg] C for killing the microflora and is processed in an ultrafiltration system and a downstream, two-stage reverse osmosis system. The residual gas e.g. methane, carbon dioxide, hydrogen sulfide, which are remaining in the liquid are removed via an upstream vacuum separator from the liquid at a reduced pressure of -0.2 to -0.4 bar before ultrafiltration. An independent claim is also included for plant containing a floating bed reactor column with anaerobic and aerobic steps and integrated membrane operating stages for recycling of organic residues in the degradation step and recycling of the treated water in the treatment process, comprising at least a separation device for non-organic impurities as a coarse separation, a rotating mixing- and grinding system with homogenizing, a thermo-compression hydrolysis system, a separation plant, such as screw pressing screws, decanter or vibrating sieve, a drying and pelletizing plant (5), an enzymatic pre-hydrolysis by incubation with microorganisms at 55[deg] C, an up flow anaerobic floating bed reactor (6), an aerobic operating step, which is designed as floating bed reactor and which is equipped with floating bodies with a density of 0.95-0.98 g/cm 3>and a diameter of 50-250 mm, a microfiltration, an intensive ventilation for air entry into the aerobic up flow floating bed, a thermization system for thermal treatment of the effluent from the aerobic floating bed reactor, a degassing system with carbon dioxide removal to improve the ultrafiltration performance, an ultrafiltration system, a return of the resulting concentrate into the anaerobic floating bed reactor, a transmission of the filtrate to a reverse osmosis, a reverse osmosis system to concentrate the mineral content and recycling of the reverse osmosis water to thermocompression hydrolysis and production of pure water, and a membrane-intensive entry and ventilation system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Biogasgewinnung durch Aufschluss und Verwertung der Inhaltsstoffe aus Lebensmittelrückständen und anderen organischen Abfallstoffen einschließlich der Gärrestaufbereitung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for biogas production by digestion and utilization of the ingredients from food residues and other organic waste including the digestate treatment and an apparatus for performing the method.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Nutzung von Gülle, nachwachsenden Rohstoffen und organisch stark belasteten Abwässern zur Gewinnung von Biogas, Düngemitteln und Wasser aus Gärresten.Various methods are known for the use of manure, renewable raw materials and organically heavily polluted wastewater for the production of biogas, fertilizers and water from digestate.

Aus der DE 10 2005 055 310 A1 ist ein Verfahren zur Aufarbeitung von Gärresten aus Biogasanlagen, Flüssiggülle, organisch belasteten Abwässern u. a. durch Verknüpfung mehrere Prozessketten zu komplexen Kreislaufsystemen, bekannt.From the DE 10 2005 055 310 A1 is a process for the processing of digestate from biogas plants, liquid manure, organically polluted wastewater, inter alia, by linking several process chains to complex circulatory systems known.

Der Patent 10 2005 055 310 A1 liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, dass alle Bestanteile und Energieinhalte im komplexen Zusammenhang einer Nutzung der beinhalteten thermischen und elektrischen Energie, der stofflichen Verwertung/Abbau der Inhaltstoffe und der Wassernutzung für hochwertige Zwecke, z. B. Aqua-Kulturen, ermöglicht.The patent 10 2005 055 310 A1 the object is to provide a method that all Bestanteile and energy content in the complex context of use of the included thermal and electrical energy, the recycling / degradation of the ingredients and water use for high-quality purposes, eg. B. aqua cultures.

Die in dieser Druckschrift angegebene Lösung besteht aus einem System eines Kreislaufes zur Aufbereitung und Verwertung der Gärreste aus Biogasanlagen zur Nutzung von Überschusswasser und Energie für die Aufzucht von Fischkulturen bei Maximierung der Gesamtenergieausbeute durch Anaerobfilter und den gezielten weiterführenden Abbau von C- und N-Substanzen durch Aerobfilter bei gleichzeitiger Nutzung des anfallenden CO2 und Reststickstoffs der Umkehrosmosekonzentrate für Algenkulturen.The solution given in this document consists of a system of circulation for the treatment and utilization of fermentation residues from biogas plants for the use of excess water and energy for the rearing of fish cultures while maximizing the total energy yield by anaerobic filter and the targeted further degradation of C and N substances Aerobic filter with simultaneous use of the resulting CO 2 and residual nitrogen of the reverse osmosis concentrates for algae cultures.

In der DE 10 2004 053 615 B3 ist die Anwendung eines Festmist-Reaktors mit Perkulation beschrieben, wobei mehrere Perkulatoren im Festbett-Reaktor angeordnet sind.In the DE 10 2004 053 615 B3 the use of a solid-mist reactor with percolation is described, wherein several perculators are arranged in a fixed-bed reactor.

Hiermit soll der Abbau von biogenem Material unter bedarfsgerechter Steuerung des Biogasanfalles erfolgen.This is to be the degradation of biogenic material under need-based control of the biogas attack.

Das in der WO 2010 034 685 A2 beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zur Behandlung biogener Stoffe ist vorrangig ein Verfahren zur Steigerung der Biogasausbeute durch den Eintrag von mechanischer Energie mit dem Ziel der Steigerung der Effizienz der Biogasgewinnung aus biogenen Rohstoffen, aber nicht die vollständige Verwertung der Inhaltsstoffe zu Düngekonzentraten und des Wassers zu Brauchwasser.That in the WO 2010 034 685 A2 described method and apparatus for the treatment of biogenic substances is primarily a method for increasing the biogas yield by the entry of mechanical energy with the aim of increasing the efficiency of biogas production from biogenic raw materials, but not the complete utilization of the ingredients to fertilizer concentrates and the water to process water ,

Die in diesen Druckschriften und weiteren aus der Technik bekannten Verfahren verwendeten Reaktoren, Ausgangsstoffe und Verfahrensprinzipien erreichen nicht den erwünschten technischen und ökonomischen Erfolg.The reactors, starting materials and process principles used in these documents and other methods known from the art do not achieve the desired technical and economic success.

Die EP 1 211 308 A1 betrifft ein Verfahren zur Teilverwertung von Tiermehl und/oder dessen Vorprodukten.The EP 1 211 308 A1 relates to a process for the partial utilization of meat-and-bone meal and / or its precursors.

Der Erfindung liegt hier die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes Verfahren zur Verwertung von Tiermehl bereitzustellen, bei dem die Menge einer Verbrennung zuzuführenden Substanz reduziert wird.The invention is based on the object to provide an inexpensive method for the utilization of animal meal, in which the amount of a substance to be supplied combustion is reduced.

Es ist keine Aufarbeitung einer bei einer Separation anfallenden Flüssigkeit direkt nach einer anaeroben Fermentation mittels Filtrationsverfahren vorgesehen. Spezielle Membranfiltrationsverfahren sind bekanntlich nach dem Stand der Technik technisch und energetisch sehr aufwändig und problematisch.There is no processing of a liquid obtained in a separation provided directly after anaerobic fermentation by filtration. Special membrane filtration processes are known to be technically and energetically very complicated and problematic according to the prior art.

Eine komplexe Nutzung von Inhaltsstoffen und die stoffliche Verwertung der Inhaltsstoffe ist nicht vorgesehen.A complex use of ingredients and the recycling of the ingredients is not provided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren darzustellen, das eine komplexe Nutzung der Inhaltsstoffe von Lebensmittelrückständen, Pflanzen-, Schlacht- und Fischereiabfällen sowie anderen organischen Abfallstoffen hinsichtlich der stofflichen Verwertung bzw. Abbau der Inhaltstoffe zur energetischen Nutzung (thermische und elektrische Energie) sowie die Nutzung des anfallenden gereinigten Wassers im stofflichen Kreislauf ermöglicht.The invention has for its object to provide a method that a complex use of the ingredients of food residues, plant, slaughter and fish waste and other organic waste with regard to the recycling or degradation of the ingredients for energy use (thermal and electrical energy) and the use of the resulting purified water in the material cycle allows.

Weiterhin soll mit der Erfindung die zur Ausführung vorgesehene Vorrichtung dargestellt werden.Furthermore, to be shown with the invention, the device provided for execution.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufschluss und zur Verwertung der Inhaltsstoffe von Lebensmittelrückständen und anderen Abfallstoffen gelöst, deren Merkmale im Hauptanspruch wiedergegeben sind.The object is achieved by a process for the digestion and utilization of the ingredients of food residues and other waste products whose characteristics are given in the main claim.

Die Vorrichtung ist in den Ansprüchen 2–10 dargestellt.The device is shown in claims 2-10.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht aus einem komplexen System zum thermomechanischen Aufschluss von organischen Rohstoffen, einer Schwimmbettreaktorenkolonne mit anaeroben und aeroben Arbeitsstufen und integrierten Membrantrennstufen zur Rückführung organischer Reststoffe in die Abbaustufen und Rückführung des gereinigten Wassers in den Aufbereitungsprozess sowie zu anderweitiger Nutzung.The solution according to the invention consists of a complex system for the thermomechanical digestion of organic raw materials, a Schwimmbettreaktorenkolonne with anaerobic and aerobic stages and integrated membrane separation stages for recycling organic residues in the mining stages and recycling the purified water in the treatment process and for other uses.

Das Verfahren zielt auf Rohstoffe, deren stoffliche Verwertung in Biogasreaktoren langer Verweilzeiten bedarf und damit große Reaktorvolumina erfordern. The process aims at raw materials whose recycling in biogas reactors requires long residence times and thus requires large reactor volumes.

In der anaeroben Arbeitsstufe, die als Schwimmbettreaktor gestaltet ist, entsteht Biogas mit einem Methananteil von ≥ 80%; in den nachgeschalteten, mit einem speziellen Membranintensivbelüftungssystem ausgerüstetem aeroben Arbeitsstufen erfolgt der Abbau noch verbliebener organischer Substanz und ein oxidativer Umbau von Ammoniakverbindungen zu Nitratverbindungen. Hierdurch wird eine nahezu vollständige Stickstoffabtrennung bei der Umkehrosmose möglich.In the anaerobic working stage, which is designed as a floating bed reactor, biogas is produced with a methane content of ≥ 80%; In the downstream, equipped with a special membrane intensive aeration system aerobic work stages, the degradation of remaining organic matter and an oxidative conversion of ammonia compounds to nitrate compounds takes place. As a result, an almost complete nitrogen removal in the reverse osmosis is possible.

Die anaerobe wie auch die aeroben Arbeitsstufen sind als Schwimmbettreaktoren gestaltet und besitzen Schwimmkörper mit einer Dichte von 0,95–0,98 g/cm3 und einen Durchmesser von 50–250 mm. Durch die erfindungsgemäße Bettgestaltung wird erreicht, dass keine Verblockung des Bettes möglich ist, und ein effektives Absetzen des Bioschlammes unterhalb des Schwimmbettes erfolgen kann.The anaerobic as well as the aerobic working stages are designed as floating bed reactors and have floats with a density of 0.95-0.98 g / cm 3 and a diameter of 50-250 mm. The bed design according to the invention ensures that no blocking of the bed is possible, and effective settling of the biosludge can take place below the floating bed.

Erfindungsgemäß wird der Methanbildungsprozess so gestaltet, dass die Wasserstoff verbrauchende Methanbildung gegenüber der Acetat verbrauchenden Methanbildung verstärkt wird. Die Wasserstoff verbrauchende Methanbildung ist energetisch günstiger als die Acetat-Carboxylierung. Das wird erreicht durch eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration im Substrat durch H-bildende Mikroorganismen wie z. B. sporenbildende Clostridien. Klärschlamm dient als Starter und Mediator für eine verstärkte Wasserstoff verbrauchende Methanbildung.According to the invention, the methane formation process is designed such that the hydrogen-consuming methane formation is enhanced compared to the acetate-consuming methane formation. The hydrogen-consuming methane formation is energetically more favorable than the acetate carboxylation. This is achieved by increasing the hydrogen concentration in the substrate by H-forming microorganisms such. B. spore-forming clostridia. Sewage sludge serves as a starter and mediator for increased hydrogen-consuming methane formation.

Die zu verwertenden Rohstoffe wie Lebensmittelrückstände, Pflanzen-, Schlacht- und Fischabfälle werden in einem rotierenden Misch- und Zerkleinerungssystem weitgehend homogenisiert und mit Wasser aus dem Kreislaufsystem verdünnt und über eine kontinuierlich arbeitende Thermo-Druck-Hydrolyse-Anlage bei 130–150°C weitgehend aufgeschlossen.The raw materials to be recycled, such as food residues, vegetable, slaughter and fish waste, are largely homogenized in a rotating mixing and grinding system and diluted with water from the circulatory system and largely at 130-150 ° C via a continuous thermo-pressure hydrolysis plant open minded.

Noch verbleibende grobe Feststoffe werden mittels Separation (Pressschneckenseparator/Dekanter/Schwingsieb) abgetrennt und weiter mit Wasser auf einen Trockenmassegehalt von 3–5% und eine H-bildende < 2000 mg/l eingestellt. Diese Suspension wird auf eine Arbeitstemperatur zwischen 30–55°C gekühlt und in einem Hydrolysetank mit säurebildenden Mikroorganismenkulturen beimpft und unter quasi-anaeroben Bedingungen erfolgt die Bildung der für die Biogaserzeugung erforderlichen organischen Säuren. Zur Optimierung der Methanbildung kann hier eine pH-Korrektur erfolgen, vorzugsweise auf pH 6,5–7,0.Remaining coarse solids are separated by means of separation (screw extruder / decanter / vibrating screen) and further adjusted with water to a dry matter content of 3-5% and an H-forming <2000 mg / l. This suspension is cooled to a working temperature between 30-55 ° C and inoculated in a hydrolysis tank with acid-forming microorganism cultures and under quasi-anaerobic conditions, the formation of the organic acids required for biogas production takes place. To optimize the methane formation, a pH correction can be carried out here, preferably to pH 6.5-7.0.

Das vorhydrolysierte Substrat wird im Aufstromprinzip durch den anaeroben Schwimmbettreaktor gefördert. Hier erfolgt die Biogasbildung, die sowohl meso- als auch thermophil gestaltet werden kann. (Temperaturbereich 35–55°C)The pre-hydrolyzed substrate is pumped upflow through the anaerobic pool bed reactor. Here, the biogas formation takes place, which can be designed both meso- and thermophilic. (Temperature range 35-55 ° C)

In den Ablauf des Anaerob-Reaktors ist eine Mikro-/Ultrafiltrationsstufe extern geschaltet, die den aus dem Reaktor ausgeschleusten, noch C-haltigen Spaltprodukte enthaltenden und mit Mikroorganismen belasteten Ablauf soweit konzentriert, dass langkettige Spaltprodukte und Mikroorganismen in den Biogasprozess rückgeführt werden können.

  • – Die Mikrofiltrationsanlage besteht aus polymeren oder keramischen Rohrmembranen mit einem Rohrdurchmesser von 3–25 mm und mit einer Porenweite von 0,05–0,4 μm
  • – Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren: 3–6 m/s
  • – Transmembrane Druckdifferenz:
  • – Polymermembranen: max. 1,0 bar
  • – Keramikmembranen: max. 2,0 bar
  • – bei Porenweiten 0,2–0,4 um:
  • – Filtratdruck gegen 0,4–0,8 bar
  • – Rückspülmodus mit Recycling-Wasser
  • – 0,5–1,0 bar über Transmembrandruck
  • – bei Leistungsverlust > 50% auch Möglichkeit der Umkehrspülung bei gleichzeitiger Rückspülung
In the course of the anaerobic reactor, a micro / ultrafiltration stage is connected externally, which concentrated so far discharged from the reactor, still containing C-containing fission products and loaded with microorganisms drain that long-chain fission products and microorganisms can be recycled into the biogas process.
  • - The microfiltration system consists of polymeric or ceramic tube membranes with a tube diameter of 3-25 mm and with a pore size of 0.05-0.4 microns
  • - Flow rate in the pipes: 3-6 m / s
  • - Transmembrane pressure difference:
  • - Polymer membranes: max. 1.0 bar
  • - Ceramic membranes: max. 2.0 bar
  • At pore sizes 0.2-0.4 μm:
  • - Filtratdruck against 0.4-0.8 bar
  • - Backwash mode with recycled water
  • 0.5-1.0 bar via transmembrane pressure
  • - With loss of power> 50% also possibility of reverse flushing with simultaneous backwashing

Das abgetrennte Filtrat dagegen wird je nach Art und Größe der Restbelastung entweder direkt über eine ein- oder zwei-stufige Umkehrosmoseanlage geführt und dort zu einem Mineralstoffkonzentrat und Wasser verarbeitet oder über eine Schwimmbettkolonne unter aeroben Bedingungen weiter gereinigt und anschließend der Aufarbeitung in einer ein- oder zweistufigen Umkehrosmoseanlage unterzogen.The separated filtrate, on the other hand, depending on the nature and size of the residual load, is either passed directly through a one- or two-stage reverse osmosis plant where it is processed to a mineral concentrate and water or further purified under aerobic conditions by a floating bed column and then worked up in a on or off subjected to two-stage reverse osmosis system.

In der 1. Stufe der Umkehrosmoseanlage werden Wickelmembranelemente mit einem spacer von 30–120, vorzugsweise 40–100 mil (ca. 1,0–2,5 mm) und in der 2. Stufe der Umkehrosmoseanlage werden Wickelmembranelemente mit einem spacer von 30–80, vorzugsweise 30–50 mil (ca. 0,8–1,2 mm) eingesetzt.In the 1st stage of the reverse osmosis system winding membrane elements with a spacer of 30-120, preferably 40-100 mils (about 1.0-2.5 mm) and in the 2nd stage of the reverse osmosis system are wound membrane elements with a spacer of 30- 80, preferably 30-50 mil (about 0.8-1.2 mm) used.

Vor Eintritt des Ablaufs aus den anaeroben bzw. aeroben Schwimmbettreaktoren in die Wasseraufbereitung, bestehend aus Ultrafiltration und 1–2stufiger Umkehrosmoseanlage, ist es erforderlich, die in der Flüssigkeit verbleibenden Gasreste (CH4, CO2, H2S) zu entfernen, da Gase die Leistungsfähigkeit der Anlage deutlich beeinflussen und zu extremem Leistungsabfall führen können.Before the discharge from the anaerobic or aerobic swimming pool reactors into the water treatment, consisting of ultrafiltration and 1-2-stage reverse osmosis system, it is necessary to remove the residual gas in the liquid (CH 4 , CO 2 , H 2 S), since gases significantly affect the performance of the system and can lead to extreme performance degradation.

Das trifft besonders dann zu, wenn der pH-Wert des Ablaufs zur effektiven Abtrennung noch verbliebener NH4-Bestandteile auf pH-Werte < 6,0 abgesenkt werden muss. Die Zudosierung von Säuren zur pH-Absenkung führt zur Bildung von CO2 und H2S.This is especially true when the pH of the effluent for the effective separation of remaining NH 4 components must be reduced to pH values <6.0. The addition of acids to the pH reduction leads to the formation of CO 2 and H 2 S.

Diese Gase werden erfindungsgemäß über einen vorgeschalteten Vakuumabscheider aus der Flüssigkeit bei einem Unterdruck von vorzugsweise –0,2 bis –0,4 bar abgeschieden. Im Abscheider wird die Flüssigkeit über einen Tangentialverteiler auf Prallbleche gelenkt. Die Prallbleche sind so angeordnet, dass die Flüssigkeit dann in einem dünnen Film über die Prallbleche geleitet wird, die Gase abgeschieden werden und die Flüssigphase weitgehend frei von Gasen aus einem Sammler abgezogen werden kann. These gases are deposited according to the invention via an upstream vacuum separator from the liquid at a reduced pressure of preferably -0.2 to -0.4 bar. In the separator, the liquid is directed via a tangential distributor on baffles. The baffles are arranged so that the liquid is then passed over the baffles in a thin film, the gases are separated and the liquid phase can be largely removed free of gases from a collector.

Der Eintrag des Filtrates in den aeroben Schwimmbettreaktor, z. B. aus der Mikrofiltrationsanlage erfolgt über ein Membranintensiveintrags- und Belüftungssystem. Die Luft wird hier unter Druck in das Filtrat zur besseren Löslichkeit des Sauerstoffs über Membranen in Feinstverteilung gepresst und erst im Reaktor entspannt.The entry of the filtrate in the aerobic floating bed reactor, z. B. from the microfiltration plant via a Membranintensiveintrags- and ventilation system. The air is pressed under pressure into the filtrate for better solubility of the oxygen through membranes in the finest distribution and relaxed in the reactor.

Das Membran Intensiv- Eintrags- und Belüftungssystem zeichnet sich aus durch:

  • – ein neuartiges Eintragungssystem für Luft in Klärsysteme mittels keramischer oder polymerer Cross-Flow-Module zur Erhöhung der gelösten Sauerstoffanteile im Medium
  • – durch die zwangsgeführte, konstant komprimierte Luftzufuhr wird eine intensive und maximale Sauerstoffversorgung der Mikroflora in z. B. Schwimmbettreaktoren gewährleistet
  • – bedingt durch den konstanten Überdruck im Cross-Flow-System von 0,5–4,0 bar wird die Löslichkeit des eingetragenen Luftsauerstoffs deutlich erhöht (25–40%) der bei Normaldruck eine nur geringe Löslichkeit in Wasser aufweist (20°C: 1 RT Wasser löst 0,039 RT O2)
  • – Das mit Sauerstoff anzureichernde Abwasser überströmt die Membranen mit Geschwindigkeiten von 3–5 m/s
  • – Die Entspannung des Luft-Abwasser-Gemisches auf 0–0,3 bar Überdruck erfolgt über Tangential-Prallteller in den unteren Bereich des aerob betriebenen Schwimmbettreaktors (Aufstromprinzip).
  • – Das Intensivbelüftungssystem wird vorzugsweise mit Membranen mit einer Porenweite von 0,05–0,1 μm betrieben und der hydraulische Durchmesser der Einzelkanäle der Membran liegt zwischen 6 und 8 mm.
  • – Der mikrobielle Abbauprozess im Aerobreaktor wird somit um 25–30% beschleunigt.
The membrane intensive entry and ventilation system is characterized by:
  • - A novel entry system for air in sewage treatment systems using ceramic or polymeric cross-flow modules to increase the dissolved oxygen content in the medium
  • - Due to the positively driven, constantly compressed air supply is an intensive and maximum oxygen supply to the microflora in z. B. swimming pool reactors guaranteed
  • - Due to the constant overpressure in the cross-flow system of 0.5-4.0 bar, the solubility of the atmospheric oxygen is significantly increased (25-40%) which at atmospheric pressure has only a low solubility in water (20 ° C: 1 RT of water dissolves 0.039 RT O 2 )
  • - Waste water to be oxygenated flows over the membranes at speeds of 3-5 m / s
  • - The relaxation of the air-wastewater mixture to 0-0.3 bar overpressure via tangential baffle plate in the lower part of the aerobically operated swimming bed reactor (upflow principle).
  • - The intensive ventilation system is preferably operated with membranes with a pore size of 0.05-0.1 microns and the hydraulic diameter of the individual channels of the membrane is between 6 and 8 mm.
  • - The microbial degradation process in the aerobreactor is thus accelerated by 25-30%.

Das aus der Umkehrosmose gewonnene Wasser wird direkt rückgeführt in den Verarbeitungsprozess zur exakten Einstellung des N-Gehaltes im Substrat auf max. 3000 mg/l, optimal 2000 mg/l Ammonium. Die Zuführung des Wassers kann sowohl in den Vorhydrolyse-Tank als auch in den Einlauf des anaeroben Festbettreaktors erfolgen.The water recovered from the reverse osmosis is directly recycled in the processing process for the exact adjustment of the N content in the substrate to max. 3000 mg / l, optimally 2000 mg / l ammonium. The supply of water can be done both in the prehydrolysis tank and in the inlet of the anaerobic fixed bed reactor.

Die Erfindung ist ein mehrstufiges System zum vollständigen Aufschluss und Abbau der Inhaltsstoffe von Lebensmittelrückständen und anderen organischen Abfallstoffen.The invention is a multi-stage system for the complete digestion and degradation of the contents of food residues and other organic wastes.

1 zeigt den Verfahrensablauf 1 shows the procedure

Nachfolgend wird die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert.The invention will be explained in a preferred embodiment.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Lebensmittelrückstände werden in ein Sammellager überführt. Aus dem Sammellager werden über Dickstoffpumpen die Lebensmittelrückstände über ein Trommelsieb 0 gegeben und von nichtorganischen Verunreinigungen befreit. Anschließend erfolgt die Feinstzerkleinerung und Homogenisierung 1 über ein Rota-cutsystem.The food residues are transferred to a collection warehouse. From the collection warehouse, the food residues are passed through a drum screen via sludge pumps 0 given and freed of non-organic impurities. Subsequently, the fine crushing and homogenization takes place 1 via a rota-cut system.

Das homogenisierte Produkt wird kontinuierlich in einem Wärmetauscher oder in einem Rohrheißhalter bei 3,5 bar und 130° behandelt und anschließend in einem Edelstahldruckbehälter 30 Minuten heiß gehalten und danach auf 55°C abgekühlt. Über ein Dosiersystem erfolgt die Zudosierung von Mikroorganismen in Form von Impfschlamm (Klärschlamm) sowie von Enzymen, wie Cellulasen.The homogenized product is treated continuously in a heat exchanger or in a tube heat exchanger at 3.5 bar and 130 ° and then kept hot in a stainless steel pressure vessel for 30 minutes and then cooled to 55 ° C. By means of a metering system, the addition of microorganisms takes place in the form of seed sludge (sewage sludge) as well as of enzymes, such as cellulases.

Es erfolgt danach die Überführung in einen Vorhydrolysetank 3 mit einer Verweilzeit von 2 Tagen.It is then transferred to a prehydrolysis tank 3 with a residence time of 2 days.

Das vorhydrolysierte Substrat wird über einen Preßschneckenseparator 4 mit einer Siebweite von 0,5 mm gepumpt und verbliebene Faser- und andere Feststoffe abgetrennt.The pre-hydrolyzed substrate is passed through a press screw separator 4 pumped with a mesh width of 0.5 mm and separated remaining fiber and other solids.

Diese Feststoffe werden anschließend getrocknet und pelletiert mittels eines kotinuierlichen Bandtrockners bei 90–130°C und in einer Pelletierungseinrichtung/Extruder 5 und ggf. mit anderen Fraktionen oder Zusatzstoffen aufgearbeitet.These solids are then dried and pelleted by means of a continuous belt dryer at 90-130 ° C and in a pelletizer / extruder 5 and optionally worked up with other fractions or additives.

Die organisch hoch belastete Flüssigkeit (Zentrat) wird aus einem Zwischenlager in den anaeroben Schwimmbettreaktor 6 gefördert.The organically highly loaded liquid (centrate) is transferred from an intermediate storage to the anaerobic pool-bed reactor 6 promoted.

Dort erfolgt die Biogasbildung und der Abbau organischer Bausteine bei Temperaturen von 55°C (thermophiles Verfahren) und einer Verweilzeit des Substrates von 4 Tagen. Die Befüllung und der Ablauf der Restflüssigkeit erfolgen kontinuierlich.There, the biogas formation and the degradation of organic building blocks takes place at temperatures of 55 ° C (thermophilic process) and a residence time of the substrate of 4 days. The filling and the drainage of the residual liquid take place continuously.

Im By-pass ist eine Mikrofiltrationsanlage (MF) 7 geschaltet. Der Ablauf aus dem anaeroben Reaktor 6 wird über die MF-Anlage 7 (mit Polymermembranen mit einem Rohrdurchmesser vom 3–25 mm und einer Porengröße von 0,2 μm) gepumpt; dabei werden Mikroorganismen und andere Bestandteile konzentriert und in den Schwimmbettreaktor 6 zurückgeführt. Das Filtrat wird in den aeroben Schwimmbettreaktor 8 geleitet.By-pass is a microfiltration system (MF) 7 connected. The process from the anaerobic reactor 6 is via the MF system 7 (with polymer membranes with a tube diameter of 3-25 mm and a pore size of 0.2 microns) pumped; In the process, microorganisms and other components are concentrated and transferred to the swimming pool reactor 6 recycled. The filtrate is placed in the aerobic floating bed reactor 8th directed.

Die Einleitung in den aeroben Schwimmbettreaktor 8 erfolgt über ein Intensivbelüftungssystem 8.1 durch Einpressen von Luft in die Flüssigkeit über ein Membransystem (0,2 μm keramische Membran) unter einem Druck von max. 3,0 bar. Dadurch erfolgt eine Feinstverteilung der Luft und eine hohe Löslichkeit des Sauerstoffs in der Flüssigkeit wird gewährleistet.The introduction into the aerobic floating bed reactor 8th takes place via an intensive ventilation system 8.1 by injecting air into the liquid via a membrane system (0.2 μm ceramic membrane) under a pressure of max. 3.0 bar. This results in a finest distribution of air and a high solubility of the oxygen in the liquid is ensured.

Die Verweilzeit im aeroben Schwimmbettreaktor 8 ist mit 4 Tagen festgelegt. Anschließend erfolgt eine Thermisierung 9 des Ablaufs aus dem Reaktor 6 bei 75°C und einer Verweilzeit von 2 Minuten in einem Plattenwärmetauscher mit einem Rohrheißhalter und die Entgasung 10 bei einem geringen Unterdruck von –0,2 bar.The residence time in the aerobic floating bed reactor 8th is set with 4 days. Subsequently, a thermization takes place 9 the effluent from the reactor 6 at 75 ° C and a residence time of 2 minutes in a plate heat exchanger with a Rohrheißhalter and the degassing 10 at a low negative pressure of -0.2 bar.

Nach Abkühlung auf 60°C wird der Ablauf über eine Ultrafiltrationsanlage 11 bei 60°C und 3 bar filtriert.After cooling to 60 ° C, the flow through an ultrafiltration plant 11 filtered at 60 ° C and 3 bar.

Das entstehende Konzentrat (ca. 10% Trockensubstanz) wird in den aeroben Reaktor 8 rückgeführt, das Filtrat auf 35°C in einem Plattenwärmetauscher gekühlt und in einer 2-stufigen Umkehrosmoseanlage 12, 13 in ein Mineralstoffkonzentrat und in Reinwasser getrennt.The resulting concentrate (about 10% dry substance) is in the aerobic reactor 8th the filtrate is cooled to 35 ° C in a plate heat exchanger and in a 2-stage reverse osmosis system 12 . 13 separated into a mineral concentrate and pure water.

Die Arbeitsbedingungen sind 60 bar und 35°C.The working conditions are 60 bar and 35 ° C.

In der 1. Stufe der Umkehrosmoseanlage werden Wickelmembranelemente mit einem spacer von 30–120, vorzugsweise 40–100 mil (ca. 1,0–2,5 mm) und in der 2. Stufe der Umkehrosmoseanlage werden Wickelmembranelemente mit einem spacer von 30–80, vorzugsweise 30–50 mil (ca. 0,8–1,2 mm) eingesetzt.In the 1st stage of the reverse osmosis system winding membrane elements with a spacer of 30-120, preferably 40-100 mils (about 1.0-2.5 mm) and in the 2nd stage of the reverse osmosis system are wound membrane elements with a spacer of 30- 80, preferably 30-50 mil (about 0.8-1.2 mm) used.

Das Mineralstoffkonzentrat wird mit einer Konzentration von 4–6% abgeleitet. Das entstehende Reinwasser wird in den Produktionskreislauf zur Einstellung des Trockensubstanzgehaltes des Ausgangssubstrates eingesetzt.The mineral concentrate is derived at a concentration of 4-6%. The resulting pure water is used in the production cycle to adjust the dry matter content of the starting substrate.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

00
Grobtrennungcoarse separation
11
Feinstzerkleinerung/HomogenisierungFine grinding / homogenization
22
Thermodruck-HydrolyseThermal pressure hydrolysis
33
Vorhydrolyseprehydrolysis
44
Separationseparation
55
Trocknung/PelletierungDrying / pelleting
66
Anaerober Aufstrom-SchwimmbettreaktorAnaerobic upflow swimming pool reactor
77
Mikrofiltrationmicrofiltration
88th
Anaerober Aufstrom-SchwimmbettreaktorAnaerobic upflow swimming pool reactor
8.18.1
Intensivbelüftungintensive ventilation
99
Thermisierungthermisation
1010
Entgasungssystemdegassing
1111
Ultrafiltrationultrafiltration
1212
Umkehrosmose 1Reverse osmosis 1
1313
Umkehrosmose 2Reverse osmosis 2

Claims (10)

Verfahren zum Abbau von biogenem Material, wobei der thermo-mechanische Aufschluss und die Verwertung der Inhaltsstoffe von Lebensmittelrückständen und anderen organischen Abfallstoffen einschließlich der Gärrestaufbereitung in einem mehrstufigen System erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – die zu verwertenden Rohstoffe in einem rotierenden Misch- und Zerkleinerungssystem (1) weitgehend homogenisiert, mit Wasser aus dem Kreislaufsystem verdünnt und über eine kontinuierlich arbeitende Thermo-Druck-Hydrolyse-Anlage (2) bei 130–150°C aufgeschlossen werden – das in der anaeroben Arbeitsstufe in einem Schwimmbettreaktor (6) mit Schwimmkörpern Biogas mit einem Methangehalt von ≥ 80% entsteht – das in den nachgeschalteten mit einem speziellen Membranbelüftungssystem ausgerüsteten aeroben Arbeitsstufen (8) die noch verbliebene organische Substanz abgebaut und ein oxidativer Umbau von Ammoniakverbindungen zu Nitratverbindungen erfolgt – die Wasserstoff verbrauchende Methanbildung gegenüber der Azetat verbrauchenden Methanbildung eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration im Substrat durch H-bildende Mikroorganismen, verstärkt wird – als Starter und Mediator für eine verstärkte Wasserstoff verbrauchende Methanbildung Klärschlamm eingesetzt wird – mittels Separation (4) nach der Thermo-Druck-Hydrolyse (2) und der Vorhydrolyse (3) noch verbliebene grobe Feststoffe abgetrennt, getrocknet und pelletiert werden; und das bei der Separation erhaltene Zentrat mit Wasser auf einen Trockenmassegehalt von 3–5% und einen NH4-Gehalt von max. 2500 mg/l eingestellt, auf eine Arbeitstemperatur zwischen 30–55°C temperiert und in einem Hydrolysetank mit Säure bildenden Mikroorganismenkulturen beimpft wird, so dass unter anaeroben Bedingungen die Bildung der für die Biogaserzeugung erforderlichen Säuren erfolgt, wobei eine pH-Korrektur auf pH-Werte von 6,5–7,0 erfolgt – die Förderung des vorhydrolysierten Substrats im anaeroben Schwimmbettreaktor (6) zur Biogasbildung in einem Temperaturbereich von 35–50°C im Aufstromprinzip erfolgt – durch die externe Einschaltung einer Mikro- oder Ultrafiltrationsstufe (7) im Ablauf des Anaerob-Reaktors (6) oder mehrerer parallel oder in Reihe geschalteter Reaktoren die aus dem Reaktor ausgeschleusten, noch C-haltigen Spaltprodukte und Mikroorganismen soweit konzentriert werden, so dass langkettige Spaltprodukte und Mikroorganismen in den Biogasprozess rückgeführt werden – das abgetrennte Filtrat über eine Schwimmbettkolonne (8) unter aeroben Bedingungen weiter gereinigt und anschließend einer Thermisierung (9) bei 60–75° zur Abtötung der Mikroflora unterzogen und in einer Ultrafiltrationsanlage und der nachgeschalteten ein- oder zweistufigen Umkehrosmoseanlage (11, 12, 13) aufbereitet wird – die in der Flüssigkeit verbleibenden Gasreste (CH4, CO2, H2S) über einen vorgeschalteten Vakuumabscheider (10) aus der Flüssigkeit bei einem Unterdruck von –0,2 bis –0,4 bar vor der Ultrafiltration entfernt werdenProcess for the degradation of biogenic material, wherein the thermo-mechanical digestion and the utilization of the ingredients of food residues and other organic waste, including the processing of digestate in a multi-stage system, characterized in that - the raw materials to be recycled in a rotating mixing and crushing system ( 1 ) largely homogenized, diluted with water from the circulatory system and a continuous thermo-pressure hydrolysis plant ( 2 ) be digested at 130-150 ° C - in the anaerobic stage in a floating bed reactor ( 6 ) with floating bodies biogas with a methane content of ≥ 80% is produced - which in the downstream aerobic working stages equipped with a special membrane aeration system ( 8th ) degrades the remaining organic matter and an oxidative conversion of ammonia compounds to nitrate compounds - the hydrogen-consuming methane formation compared to the acetate-consuming methane an increase in hydrogen concentration in the substrate by H-forming microorganisms, is strengthened - as a starter and mediator for a reinforced hydrogen consuming Methane formation sewage sludge is used - by means of separation ( 4 ) after the thermo-pressure hydrolysis ( 2 ) and prehydrolysis ( 3 ) remaining coarse solids are separated, dried and pelleted; and the centrate obtained in the separation with water to a dry matter content of 3-5% and a NH 4 content of max. Adjusted to a working temperature between 30-55 ° C and in a hydrolysis tank with acid-forming microorganism cultures is inoculated so that under anaerobic conditions, the formation of the acids required for biogas production takes place, with a pH correction to pH Values of 6.5-7.0 - the promotion of the pre-hydrolyzed substrate in the anaerobic pool-bed reactor ( 6 ) for biogas formation in a temperature range of 35-50 ° C in the upflow principle - by the external involvement of a micro or ultrafiltration stage ( 7 ) in the course of the anaerobic reactor ( 6 ) or more parallel or in series reactors from the reactor discharged, C-containing fission products and microorganisms are concentrated so that long-chain fission products and microorganisms are recycled into the biogas process - the separated filtrate through a floating bed column ( 8th ) was further purified under aerobic conditions and then thermally 9 ) at 60-75 ° to kill the microflora and in an ultrafiltration plant and the downstream one or two-stage reverse osmosis plant ( 11 . 12 . 13 ) - the remaining gas residues in the liquid (CH 4 , CO 2 , H 2 S) via an upstream vacuum separator ( 10 ) are removed from the liquid at a negative pressure of -0.2 to -0.4 bar prior to ultrafiltration Anlage für ein Verfahren nach Anspruch 1, bestehend aus einer Schwimmbettreaktorkolonne mit anaeroben und aeroben Arbeitstufen und integrierten Membranstufen zur Rückführung organischer Reststoffe in die Abbaustufen und Rückführung des gereinigten Wassers in den Aufbereitungsprozess, bestehend aus mindestens – einer Abtrennungseinrichtung für nichtorganische Begleitstoffe (0) als Grobtrennung – einem rotierenden Misch- und Zerkleinerungssystem mit Homogenisierung (1) – einer Thermo-Druck-Hydrolyse-Anlage (2) – einer Separationsanlage (4), wie Pressschnecken, Dekanter oder Schwingsieb – einer Trocknungs- und Pelletieranlage (5) – einer enzymatischen Vorhydrolyse (3) durch Inkubation mit Mikroorganismen bei 55°C – einem anaeroben Aufstrom-Schwimmbettreaktor (6) – einer aeroben Arbeitsstufe, die als Schwimmbettreaktor (8) ausgeführt ist und der mit Schwimmkörpern mit einer Dichte von 0,95–0,98 g/cm3 und einem Durchmesser von 50–250 mm bestückt ist – einer Mikrofiltration (7) – einer Intensivbelüftung für Lufteintrag (8.1) in das aerobe Aufstrom-Schwimmbett (8) – einer Thermisierungsanlage (9) zur thermischen Behandlung des Ablaufs aus dem aeroben Schwimmbettreaktor (8) – einem Entgasungssystem (10) mit CO2-Entzug zur Verbesserung der Ultrafiltrationsleistung – einer Ultrafiltration (11) – einer Rückführung des entstandenen Konzentrates in den anaeroben Schwimmbettreaktor (6) – einer Weitergabe des Filtrats zur Umkehrosmose (12, 13) – einer Umkehrosmose UO (12, 13) zur Konzentrierung der Mineralstoffanteile und Rückführung des UO-Wassers zur Thermo-Druck-Hydrolyse (2) und Gewinnung von Reinwasser – einem Membran-Intensiv-Eintrags- und Belüftungssystem (8.1)Plant for a process according to claim 1, consisting of a floating bed reactor column with anaerobic and aerobic working stages and integrated membrane stages for recycling organic residues into the decomposition stages and returning the purified water to the treatment process, comprising at least one separating means for non-organic impurities ( 0 ) as coarse separation - a rotary mixing and crushing system with homogenization ( 1 ) - a thermo-pressure hydrolysis unit ( 2 ) - a separation plant ( 4 ), such as press screws, decanters or vibrating screens - a drying and pelleting plant ( 5 ) - an enzymatic prehydrolysis ( 3 by incubation with microorganisms at 55 ° C - an anaerobic upwelling pool reactor ( 6 ) - an aerobic working stage used as a floating bed reactor ( 8th ) and equipped with floats having a density of 0.95-0.98 g / cm 3 and a diameter of 50-250 mm - a microfiltration ( 7 ) - an intensive ventilation for air entry ( 8.1 ) into the aerobic upstream floating bed ( 8th ) - a thermisation system ( 9 ) for the thermal treatment of the effluent from the aerobic floating bed reactor ( 8th ) - a degassing system ( 10 ) with CO 2 removal to improve the ultrafiltration performance - ultrafiltration ( 11 ) - a return of the resulting concentrate in the anaerobic pool bed reactor ( 6 ) - a transfer of the filtrate to reverse osmosis ( 12 . 13 ) - a reverse osmosis UO ( 12 . 13 ) for concentrating the mineral components and returning the UO water to the thermo-pressure hydrolysis ( 2 ) and recovery of pure water - a membrane intensive entry and ventilation system ( 8.1 ) Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ablauf des Anaerob-Reaktors (6) eine Mikro-Ultrafiltration extern (7) geschaltet ist.Installation according to claim 2, characterized in that in the course of the anaerobic reactor ( 6 ) a micro-ultrafiltration external ( 7 ) is switched. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus polymeren oder keramischen Rohrmembranen mit einem Rohrdurchmesser von 3–25 mm mit einer Porenweite von 0,05–0,4 μm besteht, eine Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren von 3–6 m/s aufweist, mit Druckdifferenzen von max. 5,0 bar arbeitet, der Filtratdruck bei Porenweiten von 0,05–0,4 μm gegen 0,4–0,8 bar geht, der Rückspüldruck 0,5–1,0 bar über dem Transmembrandruck liegt und das bei einem Leistungsverlust > 50% eine Umkehrspülung bei gleichzeitiger Rückspülung erfolgt.Installation according to claim 3, characterized in that it consists of polymeric or ceramic tube membranes with a tube diameter of 3-25 mm with a pore size of 0.05-0.4 microns, a flow rate in the tubes of 3-6 m / s , with pressure differences of max. 5.0 bar works, the filtrate pressure at pore widths of 0.05-0.4 microns against 0.4-0.8 bar, the backwash pressure is 0.5-1.0 bar above the transmembrane pressure and with a power loss> 50% reverse circulation with simultaneous backwashing. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus polymeren Wickelmembranelementen aus PVDF, Polysulfon, aromatischen Polyamiden o. a. Polymermaterialien mit einem spacer von 30–120 mil (ca. 0,75–3,0 mm) bei einem cut-off von 10.000–150.000, vorzugsweise 20.000–100.000 bestehen.Installation according to claim 3, characterized in that it consists of polymeric winding membrane elements of PVDF, polysulfone, aromatic polyamides o. Polymer materials having a spacer of 30-120 mils (about 0.75-3.0 mm) with a cut-off of 10,000-150,000, preferably 20,000-100,000. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasseraufbereitung aus Ultrafiltration (11) und 1–2 stufiger Umkehrosmoseanlage (12, 13) besteht.Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the water treatment from ultrafiltration ( 11 ) and 1-2-stage reverse osmosis system ( 12 . 13 ) consists. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in der 1. Stufe der Umkehrosmoseanlage (UO) verwendeten Wickelmembranelemente einen spacer von 30–120, vorzugsweise 40–100 mil (ca. 1.0–2,5 mm) aufweisen.Installation according to claim 6, characterized in that the winding membrane elements used in the 1st stage of the reverse osmosis system (UO) have a spacer of 30-120, preferably 40-100 mils (about 1.0-2.5 mm). Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in der 2. Stufe der Umkehrosmoseanlage (UO) verwendeten Wickelmembranelemente einen spacer von 30–80, vorzugsweise 30–50 mil (ca. 0,8–1,2 mm) aufweisen.Plant according to claim 6, characterized in that the winding membrane elements used in the second stage of the reverse osmosis system (UO) have a spacer of 30-80, preferably 30-50 mil (about 0.8-1.2 mm). Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aerobreaktor (8) ein Tangentialverteiler und Prallbleche angebracht sind.Plant according to one of the preceding claims, characterized in that in the aerobic reactor ( 8th ) a tangential distributor and baffles are attached. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrag des Filtrats in den aeroben Schwimmbettreaktor (8) über ein Membran-Intensiv-Eintrags- und Belüftungssystem erfolgt (8.1).Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the entry of the filtrate into the aerobic floating bed reactor ( 8th ) via a membrane intensive entry and ventilation system ( 8.1 ).
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