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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Nährstoffversorgung eines schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltenden Flüssigmediums mittels eines flüssigen nährstoffreichen Mediums. Bevorzugt betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Nährstoffversorgung der schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen in einer Entschwefelungsanlage einer Biogasanlage mittels Gärresten aus einem Biogasfermenter. Die Vorrichtung zur Nährstoffversorgung umfasst eine Trennvorrichtung bestehend aus mindestens einer Membran, vorzugsweise aus mehreren Membranmodulen zwischen Kammern, in die die beiden Medien jeweils eingetragen werden. Diese Trennvorrichtung realisiert einen Stoff- und Wärmeaustausch der beiden Medien und gewährleistet die Nährstoffversorgung der schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen. Ein kontinuierlicher Betrieb kann durch eine wechselseitige Bestückung der Kammern mit den beiden Medien aufrechterhalten werden. Durch die wechselseitige Nutzung der Kammern erfolgt eine Reinigung der Membranmodule in der Trennvorrichtung. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Biogasanlage umfassend die Vorrichtung zur Nährstoffversorgung von schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen.
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Die biochemische Umwandlung von organischen Stoffen unter Bildung von Biogas ist ein mehrstufiger Prozess. Die nicht im Biogasprozesses umgesetzten Stoffe und mineralische Abbauprodukte verbleiben als Gärrest.
Die Verstoffwechselung von Biomasse, beispielsweise direkt im Biogasprozess, verläuft erfahrungsgemäß als unvollständige Mineralisierung. Die an dem Mineralisierungsprozess beteiligten Mikroorganismen erreichen das Stoffwechseloptimum während des anaeroben Prozesses in technischen Systemen nicht.
Die Gärreste können bekanntermaßen stoffliche und thermische Verwertung finden. Zur stofflichen Verwertung zählen auf Grund der erheblichen Mengen an leicht pflanzenverfügbaren Nährstoffen, wie Stickstoff, Phosphor, Kalium, Schwefel und Spurenelemente die direkte Ausbringung auf landwirtschaftliche Flächen, die Herstellung von Kompost und die Gärrestaufbereitung zur Herstellung von diversen Düngemitteln. Sind die Absatzmöglichkeiten der auf diese Weise hergestellten Düngemittel nicht gegeben, werden die schadstoffbelasteten Fraktionen nach der Gärrestaufbereitung thermisch verwertet. Unbelastete Gärreste sind damit als hochwertiger organischer Dünger anzusehen. Die Nährstoffzusammensetzung des Gärrests kann stark schwanken, abhängig von den verwendeten Substraten.
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Sind die Absatzmöglichkeiten der auf diese Weise hergestellten Düngemittel nicht gegeben, werden die schadstoffbelasteten Fraktionen nach der Gärrestaufbereitung thermisch verwertet.
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Mit dem Gärrestaustrag auf landwirtschaftliche Nutzflächen besteht die Gefahr der Freisetzung von Methan und Ammoniak. Ein weiterer Nachteil besteht im enorm hohen Wasseranteil der nährstoffreichen auszubringenden Masse, die meistens vor dem Transport Methoden der Wasserentziehung zur Senkung der Transportkosten unterworfen werden muss. Die Reduzierung des Wassergehaltes von Gärresten erfolgt beispielsweise durch die Separierung, vorzugsweise mit Bandtrocknung, Membranverfahren, Eindampfen oder Strippen.
Neben der Reduzierung des Lagervolumens der Gärreste, der Sink- und Schwimmschichten kann gegebenenfalls die Auftrennung der Nährstoffe aus dem Gärrest erfolgen.
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Für die technische Nutzung von Biogas, z. B. in Gasmotoren und Mikrogasturbinen, ist häufig eine Verminderung des Schwefelwasserstoff-Gehaltes auf weniger als 200 ppm notwendig. Deshalb wird Biogas einer Entschwefelung unterzogen, wobei bekanntermaßen bei externen Entschwefelungsanlagen die Nährstoffversorgung für die schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen in Form von herkömmlichen Düngemitteln erfolgt. In den externen Entschwefelungsanlagen, den Biowäschern und Biotropfkörpern, ist die Zugabe von Mineralstoffen und die Auskreisung von Stoffwechselprodukten (in gelöster Form als Sulfat und in elementarer Form als Schwefel) erforderlich. Die schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen werden im Biogasentschwefelungsprozess in suspendierter und/oder immobilisierter Form eingesetzt. In Biowäschern liegen die schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen in suspendierter und in Biotropfkörperanlagen in suspendierter und immobilisierter Form vor.
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Für biologische Entschwefelungsprozesse werden vorzugsweise chemolithotrophe Mikroorganismen verwendet. Die chemolithotrophen Mikrorganismen oxidieren den im Biogas enthaltenen Schwefelwasserstoff in Abhängigkeit vom verfügbaren Sauerstoff zu Schwefel oder Sulfat in Form von Schwefelsäure. Als Kohlenstoffquelle dient u. a. das im Biogas enthaltene Kohlendioxid. Notwendige anorganische Makronährstoffe und Mikronährstoffe für den biologischen Entschwefelungsprozess werden separat in eine Entschwefelungsanlage eingespeist. Die Zugabe dieser Nährstoffe verläuft beispielsweise konform mit dem Auskreisen der Stoffwechselprodukte Schwefel und Sulfat. Die Ausschleusung der Stoffwechselprodukte ist erforderlich, um ein Aufkonzentrieren der genannten Stoffwechselprodukte im Entschwefelungsprozess zu vermeiden, das zur Hemmung des mikrobiologischen Prozesses führt.
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DE 10 2005 047 719 A1 beschreibt die Nutzung von Biomasse in einem Biogasprozess. Es werden Substrate mit hohem Stickstoff- und Feststoffanteil eingesetzt. Das Substrat wird mit Rezirkulat zu einem pumpfähigen Medium verarbeitet und im Zyklon und Fermenter mit Bakterien weiter behandelt. Die Entfernung des Stickstoffes wird einem Stripp-Prozess vollzogen. Außerdem werden feste Gärrückstände abgeschieden und das Rezirkulat als Wärmeüberträger und Reaktionsmedium weiterverwendet.
EP 1 757 562 A2 beschreibt eine Anordnung und ein Verfahren zur Aufbereitung von Biogas-Gärresten, Gülle und Klärschlämmen. Das Verfahren beruht auf den Einsatz eines Feinsiebunterdruckseparators mit einer Maschengröße von 30 µm bis 150 µm für die Beseitigung der in den unterschiedlichen Substraten vorhandenen Stoffe, wie organische Schwebstoffe, Kalzium, Sulfat etc.
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US 5 346 826 A beschreibt einen Prozess, in dem Mikroorganismen (Zellen) mit Nährstoffen über eine Membran versorgt werden. Es wird ein Flüssigmedium erzeugt. Eine Nährstofflösung wird für den Wachstumsprozess kontinuierlich direkt von außen auf die zu wachsenden Zellen zugeführt bei einseitiger Abführung der Zellen bestimmter Größe. Das wässrige Medium mit den Zellen wird abgeführt und ein Teil der entnommenen Zellen auf die röhrenförmige Membran rückgeführt.
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US 4 720 462 A bezieht sich allgemein auf Zellkultur-Systeme und insbesondere auf Zellkultur-Systeme für feste Gewebekulturen im Medizin-/ pharmazeutischen Bereich.
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DE 10 2009 014 221 A1 betrifft direkt ein Reinigungsverfahren zur biologischen Entschwefelung von Gasen/Rohbiogas. Das Ziel ist die Entfernung von Schwefelwasserstoff.
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US 2011/318778 A1 beschreibt ein Vorbehandlungssystem/Vergärungssystem für anaerobe Fermentation, das organisches Substrat in Biogas und Wasser entstehen lässt. Der Prozess reduziert Schwefeldioxid zu Schwefel, um das Roh-Biogas zu reinigen, d. h., es handelt sich um anaerobe Biogasprozesse ohne mikrobiologische Schwefelwasserstoffoxidation.
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Die Höhe der Kosten eines Biogasprozesses wird durch die Effizienz einer Anlage bestimmt. Betriebszeiten werden verkürzt, wenn Filtereinheiten einer ständigen Wartung, insbesondere der Reinigung von zugesetzten Membranmaterialien, bedürfen. Bekannte Verfahren zu Stoffströmen aus Biogasprozessen unter Verwendung von Filtereinheiten, insbesondere in Form von Membransystemen, haben sämtlich den Nachteil, dass Verblockungen von solchen Filtereinheiten, insbesondere von Membranen, während der Betriebsweise von biologischen Anlagen im Allgemeinen ein ungelöstes Problem darstellen. Feststoffpartikel setzen die Poren des Membranmaterials sehr schnell zu, insbesondere bei mikrobiologischen Prozessen (Biofouling). Eine mechanische Reinigung ist oftmals wirtschaftlich nicht möglich, insbesondere bei feinporigen Materialien. Dieser Nachteil bedingt das Auswechseln von Membranen bzw. Membranmodulen, was zu längeren Betriebsstillstandzeiten und somit hohen Kosten führt.
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Um diesen Nachteil zu umgehen, war es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung als Nährstoffversorgungssystem für aerobe Prozesse, vorzugsweise für den Schwefelwasserstoffabbau im Biogas zu schaffen. Die Aufgabe bestand insbesondere darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die kontinuierlich im In-situ-Betrieb einer Biogasanlage betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 sowie eine Biogasanlage gemäß Anspruch 1 realisiert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Nährstoffversorgung schwefelwasserstoffabbauender Mikroorganismen mittels eines flüssigen nährstoffreichen Mediums 2.1. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltendes Flüssigmedium 4 im Kreislauf geführt wird. Nährstoffe und Wärme aus dem flüssigen nährstoffreichen Medium 2.1 werden in das schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltende Flüssigmedium 4 eingetragen und ein mit Sulfat angereichertes flüssiges nährstoffarmes Medium 2.2 wird ausgetragen.
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Das schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltende Flüssigmedium 4 ist ein Flüssigmedium 4 aus der Entschwefelungsanlage 3 einer Biogasanlage, das im Kreislauf geführt wird. Bei dem flüssigen nährstoffreichen Medium 2.1 handelt es sich um Gärreste aus dem Biogasfermenter der Biogasanlage.
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Das Verfahren wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung durchgeführt, die wie folgt aufgebaut ist:
- Die Vorrichtung stellt ein Nährstoffversorgungssystem 5 dar und besteht aus einem abgeschlossenen Behälter mit zwei oder mehreren Kammern 5.1, 5.2, 23.1, 23.2 für den Eintrag vorzugsweise pumpfähiger Medien 2.1, 4. Die Kammern sind räumlich mittels einer Trennvorrichtung 5.3 voneinander getrennt. Mindestens eine der Kammern 5.2, 23.2 ist für den Eintrag eines flüssigen Mediums 2.1, das nährstoffreich ist, vorgesehen. Mindestens eine andere Kammer 5.1, 23.1 ist für den Eintrag von einem Flüssigmedium 4 vorgesehen, das schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthält.
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Es handelt sich bei den Medien um Stoffströme aus Biogasprozessen, nämlich um ein schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltendes Prozessmedium 4 aus der Entschwefelungsanlage 3 einer Biogasanlage und um nährstoffreiche Gärreste 2.1 aus dem Biofermenter 1 der Biogasanlage.
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Die Trennvorrichtung 5.3 zwischen den Kammern ist eine für flüssige Stoffströme durchlässige Vorrichtung, die miteinander eine starr oder beweglich angeordnete Membran oder starr oder beweglich angeordnete Membranmodule aufweist. Die Membranen der Trennvorrichtung 5.3 stellen durchlässige Materialien dar, die ionendurchlässig und säurestabil sind. Sie besitzen definierte Porengröße, vorzugsweise zwischen 0,01 und 2 µm.
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Es werden vorzugsweise Membranen benutzt, die in der Abwasserbehandlung Anwendung finden. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Membrangeometrien verwendet. Die klassische Form stellt dabei die Flachmembran dar. Dies sind poröse Folien aus Polymer oder keramischen Scheiben. Daneben kommen kapillarartige Hohlfasermembranen zum Einsatz. Auch Composite-Membranen können eingesetzt werden. Bei diesen ist auf eine poröse Trägerschicht (z.B. MF-Membran) eine aktive Membranschicht aufgetragen. Um eine höhere Trennleistung zu erzielen, sind diese gegebenenfalls mit einer feinporigeren Membranschicht versehen. Membrantrennanlagen lassen sich modular aufbauen, so dass die Trennvorrichtung stufenweise an den Umfang eines Trennproblems angepasst werden kann. Als Membranmodule können zum Beispiel die an sich bekannten Module aus der Wasser- und Abwassertechnik erfindungsgemäß eingesetzt werden (Pharma + Food, 3/2005, S. 20 ff; GWF Wasser + Abwasser, 146, (2005), Nr. 13, S. 50 ff,).
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Über die Trennvorrichtung 5.3 werden die schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen in dem Flüssigmedium 4 mit Nährstoffen aus dem nährstoffreichen Medium2.1, nämlich aus den Gärresten aus dem Biogasfermenter 1, versorgt. Stoffwechselprodukte vorzugsweise Sulfate werden abtransportiert. Das heißt, die Trennvorrichtung 5.3 erlaubt ein Durchströmen der voneinander getrennten Medien 2.1 und 4 und gewährleistet einen Stoff- und Wärmeaustausch zwischen beiden Medien. Das mit Sulfat angereicherte nunmehr nährstoffärmere Medium 2.2 wird ausgetragen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um mit Sulfat angereicherte Gärreste 2.2. Die in diesem Prozess entstehende Abwärme dient der Temperierung der schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen.
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Weiterhin weist die Vorrichtung Flüssigkeitsventile 6-13 auf. Diese Flüssigkeitsventile 6-13 gestatten die Medienführung in der Weise, dass das schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltende Flüssigmedium 4 im Kreislauf geführt und das mit Sulfat angereicherte Medium 2.2 ausgetragen wird. Außerdem wird mit den Ventilen ein wechselseitiges Befüllen der Kammern 5.1/5.2; 23.1/23.2 geregelt.
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Ein Ventil 6 regelt den Zulauf des nährstoffreichen Mediums 2.1 in eine der Kammern 5.2, ein weiteres Ventil 10 regelt den Zulauf des schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltenden Flüssigmediums 4 in die andere Kammer 5.1. Aus dieser Kammer 5.1 wird über ein Ventil 11 die Weiterleitung (Rückführung) des mit Nährstoffen angereicherten schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltenden Flüssigmediums 4 geregelt. Über ein weiteres Ventil an der Kammer 5.2 mit dem eingeführten nährstoffreichen Medium 2.1 wird das nach Stoffaustausch gewonnene, mit Sulfat angereicherte nunmehr nährstoffärmere Medium 2.2, ausgetragen. Beim umgekehrten Bestücken der Kammern wird der Kammer 5.1, in die vormals das schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltende Flüssigmedium 4 eingetragen wurde, das nährstoffreiche Medium 2.1 zugeführt, was über ein weiteres Ventil 7 geregelt wird, der anderen Kammer 5.2 wird über ein weiteres Ventil 12 das nährstoffreiche Medium 2.1 zugeführt. Über ein Ventil 9 wird sulfatangereichertes nährstoffarmes Medium 2.2 ausgetragen und vorzugsweise als Dünger verwertet. Der Rücklauf aus der anderen Kammer 5.1 des mit Nährstoffen versorgten schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltenden Flüssigmediums 4 erfolgt über ein weiteres Ventil 13.
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Durch das wechselseitige Bestücken der Kammern wird eine Verblockung der Membranmodule der Trennvorrichtung 5.3 vermieden oder zumindest stark verzögert.
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Der gegebenenfalls zusätzliche Eintrag eines gasförmigen Mediums in eine der Kammern intensiviert einen Regenerierungsprozess der Trennvorrichtung. Vorzugsweise enthält das gasförmige Medium Sauerstoff. Das Gas oder sauerstoffhaltige Medium wird bevorzugt in unmittelbarer Nähe der Trennvorrichtung in eine oder mehrere Kammern eingetragen.
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Für den Gaseintritt weisen eine oder mehrere Kammern einen Gaseintrag 19, einen Gasaustritt20, Gasabsperrvorrichtungen 14,15 zur Steuerung des Gaseintrages 19 und Gasabsperrvorrichtungen 16,17 zur Steuerung des Gasaustrittes auf.
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Die Vorrichtung an sich ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Die Vorrichtung kann auch in Form eines Zylinders vorliegen, wobei die Kammern 23.1, 23.2 gegebenenfalls um die Zylinderachse rotierend angeordnet sind.
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Im Bedarfsfall wird/werden eine oder mehrere Kammern temperiert. Da das schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltende Medium im Kreislauf geführt wird, wird der Schwefelwasserstoffabbau z.B. in einer Entschwefelungsanlage und die Reduzierung von unerwünschten Bestandteilen (wie Geruchstoffe, Restmethan und dergleichen) aus den die Kammern durchströmenden Medien unterstützt.
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Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine Biogasanlage, die einen Biogasfermenter 1 aufweist, eine biologische Entschwefelungsanlage 3 und die oben beschriebene Vorrichtung als Nährstoffversorgungssystem zur kontinuierlichen Nährstoffversorgung der schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen aus der Entschwefelungsanlage 3.
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Der Biogasfermenter 1 ist mit mindestens einer Kammer 5.2, 23.2 zur Aufnahme von flüssigem nährstoffreichem Gärrest 2.1 verbunden. Die Entschwefelungsanlage 3 ist über eine Zirkulationspumpe 18 mit einer anderen Kammer 5.1, 23.1 zum einen zur Aufnahme von schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen enthaltender Prozessflüssigkeit 4 und zum anderen zur Rückführung der mit Nährstoffen angereicherten Prozessflüssigkeit 4 in die Entschwefelungsanlage 3 verbunden.
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Gegebenenfalls werden nichtpumpfähige Gärreste z.B. mit Hilfe einer Transportvorrichtung 24 aus dem Biogasfermenter entfernt.
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Das Prinzip der Nährstoffversorgung besteht in der Zuführung von Nährstoffen aus dem nährstoffreichen Gärrest 2.1 aus dem Biogasfermenter1. Dieser kann beispielsweise an Nährstoffen Stickstoff, Phosphor und/oder Kalium in gelöster Form enthalten, gegebenenfalls Kohlenstoff beispielsweise in Form von Hydrogencarbonat, und Spurenelemente, die zur Versorgung der schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen in dem aeroben System zum Schwefelwasserstoffabbau genutzt werden. Damit werden die für das Wachstum der schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen notwendigen Nährsalze unterschiedlicher Art (Ammonium, Phosphat, Chlorid, Sulfat) und Spurenelemente (Zink, Calcium, Mangan, Eisen, Molybdän, Kupfer, Kobalt) kostengünstig bereitgestellt. Das bei der biochemischen Oxidation gebildete Sulfat wird mit den nährstoffarmen Gärresten entfernt.
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Mittels der in der Trennvorrichtung 5.3 integrierten Membran oder der integrierten Membranmodule wird die Prozessflüssigkeit von Entschwefelungsanlagen im Kreislauf geführt und mit Nährstoffen für die schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen angereichert. Stoffwechselprodukte dieses biochemischen Oxidationsprozesses werden abgereichert. Die Regenerierung der Membran oder der Membranmodule der Trennvorrichtung erfolgt durch eine wechselseitige Betriebsweise der Kammern, hilfsweise mit Gaseintrag.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Stoffkreislaufführung zur biologischen Abbaubarkeit von Restmaterialien aus Biogasprozessen zur Nährstoffversorgung für ausgewählte aerobe Mikroorganismen zum Zweck der Rückführung in den schwefelwasserstoffabbauenden Prozess der Biogasanlage.
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Das Verfahren gewährleistet eine einfache Betriebsprozessführung sowie die Anreicherung von nicht verbrauchten Nährstoffen zur Rückführung in den Stoffkreislaufprozess.
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Verfahren und Vorrichtung gestatten die kontinuierliche Nährstoffversorgung für schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen, vorzugsweise mit den Nährstoffen aus dem Gärrest eines Biogasprozesses. Die schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen werden sowohl mit Makro- als auch mit Mikronährstoffen 2.3 versorgt, wobei Makronährstoffe vorzugsweise Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) sind, und Mikronährstoffe vorzugsweise Magnesium, Calcium, Natrium und Chlor. Weiterhin wird ein Auskreisen von Stoffwechselprodukten (22), die z.B. beim Schwefelwasserstoffabbau in einer biologischen Entschwefelungsanlage entstehen, realisiert.
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Der Stoffaustausch zwischen dem Medium der Entschwefelungsanlage und dem nährstoffreichen Gärrest des Biogasprozesses, führt zu sulfatreichen (Gär-)Endprodukten und damit zu einer wirtschaftlichen Veredelung der Endprodukte einer Biogasanlage.
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Im Nährstoffversorgungssystem finden Stoffaustauschprozesse zur Einstellung optimaler Milieubedingungen wie folgt statt:
| schwefelwasserstoffabbauende Bakterien | Versorgung mit Makro- und Mikronährstoffen |
| | Abtransport von Stoffwechselprodukten und Endprodukten |
| | • zur Absenkung der Salzfracht und |
| | • zur Anhebung des pH-Wertes |
| | zusätzliche Kohlenstoffquelle in Form von Carbonaten und Hydrogencarbonaten |
| | Sauerstoffeintrag |
| Veredelung des Endproduktes (Gärrest) | Absenkung des pH-Wertes |
| | Reduzierung der Freisetzung von Ammoniak als emittierender Schadstoff |
| | Abbau von gasförmigen Problemstoffen beispielsweise Restmethan und Geruchsstoffe |
| | Reduzierung des Sulfids (H2S) bei gleichzeitiger Erhöhung der Sulfatkonzentrationen |
| | Mobilisierung der enthaltenen Phosphate und der Spurenelemente. |
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Die Erfindung wird an den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Biogasfermenter
- 2.1
- nährstoffreicher Gärrest aus dem Biogasfermenter
- 2.2
- sulfatangereicherter Gärrest (Endprodukt)
- 2.3
- Nährstoffe des Gärrestes
- 3
- Entschwefelungsanlage
- 4
- Flüssigmedium aus der Entschwefelungsanlage
- 5
- Nährstoffversorgungssystem
- 5.1
- Kammer für Flüssigmedium aus der Entschwefelungsanlage
- 5.2
- Kammer für Gärrest aus dem Biogasfermenter
- 5.3
- Trennvorrichtung umfassend Membranmodule
- 6-13
- Flüssigkeitsventile
- 14-17
- Gasabsperrvorrichtungen
- 18
- Zirkulationspumpe
- 19
- Gaseintrag
- 20
- Gasaustritt
- 21
- Verdichter
- 22
- Stoffwechselprodukte aus Prozessflüssigkeit
- 23.1
- Kammer für Flüssigmedium aus der Entschwefelungsanlage
- 23.2
- Kammer für Gärrest aus dem Biogasfermenter
- 24
- Transportvorrichtung
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Figurenliste
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- 1: Darstellung einer Biogasanlage umfassend Biogasfermenter 1, Entschwefelungsanlage 3 sowie Nährstoffversorgungssystem 5 für schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen.
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Aus einem Biogasfermenter 1 wird ein pumpfähiger nährstoffreicher Gärrest 2.1 in eine Kammer 5.2 eingeführt. Im Gegen- oder Gleichstrom wird aus einer Entschwefelungsanlage 3 Prozessflüssigkeit 4 mit einer Zirkulationspumpe 18 in eine andere Kammer 5.1 durchgeleitet. Die Kammern 5.1 und 5.2 sind durch eine Trennvorrichtung 5.3 aus 4 Membranmodulen mit einem Porendurchmesser von 1,5 µm, die fest miteinander angeordnet sind, verbunden. Beim Durchströmen der voneinander getrennten Medien 2.1 und 4 durch die Trennvorrichtung 5.3 erfolgt ein Stoffaustausch. Aus dem nährstoffreichen Gärrest 2.1 gelangen die Mikro- und Makronährstoffe 22 (z.B. Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kohlenstoffverbindungen, die Spurenelemente Magnesium, Calcium, Natrium, Chlor) über die Membranmodule der Trennvorrichtung 5.3 in die Kammer 5.1 mit dem Prozessmedium 4 aus der Entschwefelungsanlage 3. Gleichzeitig werden Stoffwechselprodukte und Endprodukte in Form von Sulfat, aus der Prozessflüssigkeit 4 der Entschwefelungsanlage 3 herkommend, aus der Kammer 5.1 in die Kammer 5.2 mit den an Nährstoffen verarmenden Gärresten transportiert. Die Mikro- und Makronährstoffe 22 aus dem Gärrest 2.1 fördern den biochemischen Wachstums- und Abbauprozess der schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen.
Der Abtransport der Endprodukte in Form von Sulfat aus der Kammer 5.1 in die Kammer 5.2 bewirkt die Erhöhung des pH-Wertes in der Kammer 5.2 und bei Rückführung des veredelten Gärrestes 2.2 die Reduzierung der Salzfracht in der Entschwefelungsanlage3.
Konform mit der Abgabe der Nährstoffe aus der Kammer 5.2 in die Kammer 5.1 wird die in den Nährstoffen gespeicherte Wärme der Kammer 5.2 an die Prozessflüssigkeit 4 in der Kammer 5.1 übertragen. Der Wärmeeintrag in die Prozessflüssigkeit 4 der Kammer 5.1 beschleunigt die Verstoffwechselung und die mikrobielle Abbauleistung der Mikroorganismen für den Schwefelwasserstoffabbau.
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Über Ventilschaltungen 6-13 erfolgt die Medienführung in der Weise, dass die Funktion der Kammer 5.1 mit der Funktion der Kammer 5.2 getauscht werden kann. Bei geöffneten Ventilen 6, 8, 10 und 11 für den Eintrag von nährstoffreichem Gärrest, für den Austrag von sulfatangereichertem Gärrest2.2, für den Eintrag von Prozessflüssigkeit 4 und Rückführung dieser in die Entschwefelungsanlage 3 in der ersten Variante der Kammerbestückung sind die Ventile 7, 9, 12 und 13, die für die umgekehrte Kammerbestückung zuständig sind, geschlossen und umgekehrt.
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Durch den Funktionswechsel der Kammern wird die Regenerierung der Trennvorrichtung 5.3 bewirkt. Die Regenerierung kann durch einen Gaseintrag 19 beschleunigt werden. Beispielsweise kann Luft mittels eines Verdichters 21 in eine der Kammern eingetragen werden. Die überschüssige Luft 20 wird ausgetragen. Bei Regenerierung der einen Kammer 5.2 mit Gaseintrag sind die entsprechenden Ventile 14 und 16 geöffnet und bei Regenerierung der anderen Kammer 5.1 mit Gaseintrag sind die anderen Ventile 15 und 17 geöffnet.
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Die Sulfatanreicherung und die Oxydationsprozesse in der Kammer 5.2 veredeln den ausgetragenen Gärrest 2.2 in der Form, dass die ökonomischen und ökologischen Kriterien für den direkten Austrag auf landwirtschaftliche Flächen erfüllt werden.
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Beispiel 2
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2a und 2b: Darstellung einer Biogasanlage umfassend Biogasfermenter 1, Entschwefelungsanlage 3 sowie Nährstoffversorgungssystem 5 für schwefelwasserstoffabbauende Mikroorganismen in zylindrischer Form umfassend eine Innen- und Außenkammer.
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2a zeigt eine schematische Seitenansicht des Zylinders 2b zeigt die Sicht auf den Zylinder von oben.
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Aus einem Biogasfermenter 1 wird ein pumpfähiger nährstoffreicher Gärrest 2.1 in die Innen-Kammer 23.2 des Zylinders eingeführt. Im Gegen- oder Gleichstrom wird aus einer Entschwefelungsanlage 3 Prozessflüssigkeit 4 in die Außen-Kammer 23.1 des Zylinders gepumpt. Die Innen-Kammer 23.2 wird in dem Zylinder bewegt, beispielsweise rotierend. Die Trennvorrichtung 5.3 ist aus 4 beweglich angeordneten Membranmodulen mit einer Porengröße von 1,2 µm aufgebaut. Sie bildet die Wand der Innen-Kammer 23.2. Beim Durchströmen der voneinander getrennten Medien 2.1 und 4 durch die Trennvorrichtung 5.3 erfolgt ein Stoffaustausch. Aus dem Gärrest 2.1 gelangen die Mikro- und Makronährstoffe (z.B. Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kohlenstoffverbindungen, die Spurenelemente Magnesium, Calcium, Natrium, Chlor) in die Außen-Kammer 23.1 bei gleichzeitigem Transport von Stoffwechselprodukten und Endprodukten in Form von Sulfat aus der Außen-Kammer 23.1 in die Innen-Kammer 23.2. Die Mikro- und Makronährstoffe fördern nach Rückführung der Prozessflüssigkeit 4 in der Entschwefelungsanlage 3 den biochemischen Wachstums- und Abbauprozess. Der Abtransport der Endprodukte in Form von Sulfat aus der Außen-Kammer 23.1 in die Innen-Kammer 23.2 bewirkt die Erhöhung des pH-Wertes in der Kammer 23.2 und die Reduzierung der Salzfracht in der Entschwefelungsanlage 3. Konform mit der Abgabe der Nährstoffe aus der Innen-Kammer 23.2 in die Außen-Kammer 23.1 wird die in dem Gärrest 2.1 gespeicherte Wärme der Innen-Kammer 23.2 an die Prozessflüssigkeit 4 in der Kammer 23.1 übertragen. Der Wärmeeintrag in die Prozessflüssigkeit 4 der Außen-Kammer 23.1 beschleunigt die Verstoffwechselung und die mikrobielle Abbauleistung der Mikroorganismen für den Schwefelwasserstoffabbau.
Über Ventilschaltungen in Anlehnung an Beispiel 1 erfolgt die Medienführung in der Weise, dass die Funktion der Außen-Kammer 23.1 mit der Funktion der Innen-Kammer 23.2 getauscht wird. Durch den Funktionswechsel wird die Regenerierung der Trennvorrichtung der Innen-Kammer bewirkt. Die Regenerierung kann durch einen Gaseintrag 19 in die Außen-Kammer 23.1 beschleunigt werden. Beispielsweise kann Luft mittels eines Verdichters 21 eingetragen werden.
Die Sulfatanreicherung und die Oxydationsprozesse in der Innen-Kammer 23.2 veredeln den Gärrest 2.2 in der Form, dass die ökonomischen und ökologischen Kriterien für den direkten Austrag auf landwirtschaftliche Flächen erfüllt werden.
Die Kammern 23.1 und 23.2 können zueinander horizontal, vertikal bzw. geneigt angeordnet sein.
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Gegebenenfalls können nichtpumpfähige Gärreste z.B. mit einer Transportvorrichtung 24, beispielsweise einer Schnecke, durch die Innen-Kammer 23.2 gefördert werden.
