DE102013021526A1

DE102013021526A1 - Verfahren zur Hygienisierung und Emissionsminderung innerhalb eines Bioreaktors einer Feststoffvergärungsanlage nach Batch-Verfahren und Verfahren zur Vermeidung von MAP/Struvit-Bildung auf einer Feststoffvergärungsanlage

Info

Publication number: DE102013021526A1
Application number: DE102013021526.9A
Authority: DE
Inventors: Denis Deuschl; Olivier Heckel
Original assignee: MORA ASSOCIATES SARL
Current assignee: MORA ASSOCIATES SARL
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Aufgrund gesetzlicher Vorschriften ist eine Hygienisierung verschiedener biogener Reststoffe erforderlich. Die ist bei der Feststofffermentation nach Batch-Verfahren bisher nur mit der relativ instabilen thermophilen Vergärung möglich oder im Nachgang an die Kompostierung. Gleichzeitig werden die Vorschriften und Anforderungen bezüglich Emissionen solcher Anlagen immer strenger. Ein weiteres Problem bei der Feststofffermentation ist die Bildung von MAP-Kristallen/Struvit, was zu erheblichen Prozessstörungen führt. Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine technische Lösung um biogene Reststoffe während einer anaeroben mesophilen Vergärung und innerhalb eines Bioreaktors zu hygienisieren und dabei Geruchs- und klimaschädliche Emissionen zu verhindern. Gleichzeitig sieht die Erfindung eine technische Lösung vor, um innerhalb des biologischen Perkolatkreislaufes eine Aufkonzentrierung von Salzen hin zu einer Struvitbildung zu verhindern. Die Erfindung wirkt sich sehr positiv auf die Handhabung Feststoffvergärungsanlage nach Batch-Verfahren aus. Um eine Biogasanlage nach Batchverfahren (Garagenfermentation) wirtschaftlich und umweltfreundlich zu betreiben ist diese Erfindung zwingend in die Praxis umzusetzen.

Description

Der Gegenstand dieser Erfindung ist das hygienisieren biogener Reststoffe in einem Bioreaktor bei gleichzeitiger Emissionsminderung im Bioreaktor nach Neubefüllung und vor Entleerung selbigem und die Reduzierung der restgasemissionen des Gärrestes, zzgl. einem Dekonzentrationsverfahren um einer MAP/Struvit-Bildung im Perkolatspeicher zu vermeiden.
Zur Würdigung des Standes der Technik sei erwähnt, dass Verfahren zur Hygienisierung von biogenen Reststoffen in Bioreaktoren, wie beispielsweise die Pasteurisierung ( DE000069523573T2 ) oder die thermophile Hygienisierung und Emissionsminderungen in verschiedenen Ausführungen bekannt sind.
Jedoch zielen diese Verfahren nicht darauf ab die Kombination aus Emissionsminderung, der Hygienisierung in einem Bioreaktor zur Feststofffermentation und der MAP/Struvit-Vermeidung so anzuwenden, dass daraus deutliche, zukunftsweisende Techniken zur Einhaltung von Vorschriften nach BioAbfV 2012 und TA-Luft abgeleitet werden können. Des Weiteren ergeben sich aus der Erfindung erhebliche wirtschaftliche und arbeitstechnische Vorteile für Betreiber einer Feststoffvergärungsanlage.
Weiterhin handelt es sich bei den bekannten Verfahren nicht um Verfahren die eine Hygienisierung nach Stand der Technik mit den in den Patentansprüchen beschriebenen Verfahrenstechniken der Dekonzentration und Emissionsminderung bei einer Biogasanlage kombinieren.
Des Weiteren ist bei einer Hygienisierung über die Verweildauer bei thermophiler Temperatur, wie nach Stand der Technik, aufgrund der erhöhten Temperatur die Prozessstabilität beeinträchtigt. Im Falle der Pasteurisierung ist das Material nach der hygienisierenden Behandlung nicht mehr in Feststoffvergärungsanlagen nach Batch-Prinzip vergärbar.
Außerdem werden bei Emissionsminderungen nach Stand der Technik nicht die Restgasemissionen des Gärrestes bei Batch-Feststoffvergärungsanlagen auf null reduziert.
Der Fachmann hätte auf eine Kombination in diesem speziellen Fall einer Feststoffvergärungsanlage nicht kommen können.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hygienisieren von biogenen Reststoffen in einem Bioreaktor, zur Emissionsminderung bei Neubefüllung /Entleerung und zur Vermeidung von Kristallisationen (MAP/Struvit-Bildung) in den Rohrleitungen und innerhalb des Perkolatspichers. Nach neuer Abfallverordnung für Deutschland aber auch Europaweit gelten neue Bestimmungen zur Behandlung des zu vergärenden Einsatzmaterials. Seit dem 27.04.2012 sind nun auch neue Verordnungen zur Hygienisierung von im Nachgang auf Felder oder in den Verkauf gereichten Bioprodukten wie Kompost, Pflanzenerde oder Dünger für Feld und Wiesen einzuhalten.
Auch werden im Zuge der Novellierungen nach TA Luft die Emissionsgrenzen für Biogasanlagen immer weiter eingeschränkt und gegen Null reduziert. in Fällen einer BlmSchV für Anlagen größer 500 KW Feuerwärmeleistung gelten besonders strenge Regeln für Emissionsschutz in Form von Luftreinhaltung, Restgaspotenzialminderung, Verweildauer des Gärrestes, etc.
Auf Grund von diesen Entwicklungen und in Zukunft immer strengeren Anforderungen in Deutschland wie auch im europäischen Ausland und weltweit hat die Firma BAL Biogasanlagenbau GmbH ein neues Verfahren entwickelt dass diese Anforderungen direkt in der Biogasanlage behandelt.
Bestehende Techniken der Kompostierung erlauben zwar eine Hygienisierung in sogenannten Intensivrotteverfahren, sind aber durch zusätzlich verbaute, der Biogasanlage extern gelagerte Technik umfangreicher und viele Anlagen bieten nicht immer den Platz um nach der Vergärung in Bioreaktoren noch eine Intensiv-Tunnel-Kompostierung auf einer Fläche von bis zu 5000 m² darzustellen. Bei der Hygienisierung wird gesetzlich und nach BioAbfV 2012 vorgeschrieben das biogene Material bei thermophiler Phase mit 55°C über die gesamte Verweildauer der Vergärung in einem Bioreaktor oder mit 70°C für mind. 1 Stunde zu behandeln. Dadurch werden Keime und Bakterien abgetötet die nicht wieder in den Kreislauf der Ausbringung des biogenen Restmaterials gelangen sollen oder Krankheiten bei Mensch und Tier verursachen könnten. Da man bei einer Behandlung mit 55°C über die gesamte Verweildauer des biogenen Materials im Bioreaktor eine thermophile (ca. 53–55°C) Vergärung anstreben muss, diese aber bei geringen Temperaturschwankungen im Bioreaktor eine sehr instabile Gasproduktion mit sich bringt, verwenden wir grundsätzlich eine mesophile Vergärungstemperatur von 38°C–39°C. Bei dieser Temperatur sind die Schwankungsraten der Gasproduktion in Abhängigkeit von Temperaturänderungen um mind. 25–30% geringer als bei der thermophilen Phase. Dies bedeutet im Umkehrschluss höhere Gasausbeuten durch stabilere Gasproduktion bei mesophiler Phase und dadurch mehr Ertrag. Da man allerdings mind. 55°C Temperatur über die gesamte Verweildauer oder mind. 70°C für mind. 1 Stunde zum Hygienisieren benötigt, sieht die Erfindung einen separaten Hygienisierungsbehälter vor, der eine Hygienisierungsflüssigkeit vorrätig hält, die bei Bedarf und am Ende der Verweildauer von ca. 28 Tagen im Bioreaktor über das biogene Material gesprüht/beregnet wird
Der Bioreaktor wird bis auf eine gewisse Füllmenge, in Abhängigkeit der Porosität des zu vergärenden Materials, mit der Hygienisierungsflüssigkeit periodisch eingestaut/befüllt. Das biogene Material befindet sich dann ganzheitlich und für mind. 1 Stunde, vorzugsweise für bis zu 3 Stunden in 70°C heißem Hygienisierungswasser. Nach der Verweildauer des biogenen Materials im Hygienisierungswasser wird der Bioreaktor abgelassen/entleert und das Hygienisierungswasser fließt zurück in den Hygienisierungsflüssigkeitstank.
Das Hygienisierungswasser hat seinen eigenen Kreislauf und kommt durch vollautomatisch gesteuerte Klappen und Ventile nicht in Berührung mit dem eigentlichen Perkolatwasser/Prozesswasser. Somit ist gewährleistet, dass zwei unterschiedliche Temperaturkreisläufe trotzdem in einem und dem selbigen Bioreaktor für die entsprechenden Verfahrensabläufe benutzt werden können. Somit ist auch eine Kontamination des Perkolatwassers durch die Hygienisierungsflüssigkeit ausgeschlossen.
Zusätzlich entstehen bei der Entleerung eines Bioreaktors zur Feststofffermentation nach Batch-Verfahren unerwünschte Emissionen durch Geruchs- und Restgasemissionen im auszubringenden biogenen Reststoff.
Einmal in der Woche wird ein Bioreaktor mit Hilfe eines Radladers entleert und wieder befüllt. Bei der Entleerung durch den Radlader wird der Gärrest Schicht für Schicht aus dem Bioreaktor ausgetragen. Ohne die in den Patentansprüchen beschriebene Hygienisierung des biogenen Materials und der damit verbundenen Abtötung von Keimen und Mikroorganismen ist in den unteren Schichten des Materials, trotz oberflächlicher Aerobisierung, immer noch eine Biogasproduktion festzustellen. Hieraus ergeben sich erhebliche Restgasemissionen aus dem auszubringenden Gärrest. Demnach können bei der Entleerung eines Fermenters größere Mengen von Methan in die Umwelt freigesetzt werden. Daher zielt die Erfindung darauf ab, das biogene Material auf der einen Seite zu Hygienisieren und auf der anderen Seite durch Abtöten der Mikroorganismen mit Hilfe des mind. 70° heißen Wassers die Methanproduktion und somit die Restgasemissionen im Gärrest unmittelbar zu stoppen. Danach wird der gesamte Bioreaktor einer aeroben Phase übergeben. Bei dieser Phase wird dann unter Einfluss von Sauerstoff kein Methan mehr produziert. Beim Entleeren des Fermenters bedeutet dies keine Geruchsemissionen und keine Methanemissionen in die Umwelt.
Des Weiteren beschreibt unsere Erfindung eine zusätzliche Verfahrenstechnik die durch verwässern bzw. dekonzentrieren des Prozesswassers die Bildung von MAP-Kristallen/Struviten unterbindet. Bei einer Feststoffvergärungsanlage nach Batch-Prinzip wird die Prozessflüssigkeit zur Erzeugung von Biogas in einem Perkolat/Prozesswasserspeicher vorrätig gehalten und wird im Kreislauf geführt.
Diese Flüssigkeit/Perkolat wird bei Anforderung des einzelnen Fermenters von Oben über das Substrat versprüht/beregnet. Das Prozesswasser durchläuft das Material und gelangt über einen Ablauf wieder zurück in den Perkolatspeicher. Bei diesem Vorgang wäscht das Perkolat Säuren und Salze aus dem zu vergärenden Material aus und transportiert diese automatisch zurück in den Perkolatspeicher. Dort findet dann über einen entsprechenden Zeitraum eine Aufkonzentration von Salzen statt. Diese wiederum führen zu einer sogenannten Magnesium-Ammonium-Phosphat Bildung, kurz MAP (Struvit). Diese MAP Kristalle setzen sich in Folge dessen an groben Oberflächen, wie den Rohrleitungsinnenwänden aber auch im Perkolattank ab. Diese Kristallbildung wächst und verjüngt oder verstopft damit zwangsläufig irgendwann die Rohrleitungen. Die Bildung von MAP-Kristallen/Struvit in Biogasanlagen kann zu erheblichen Prozessstörungen bis zu einem Stillstand der Biogasproduktion führen.
Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken bedarf es einer Technik der Dekonzentration. Da bei leichter Verwässerung des Perkolatwassers eine Aufkonzentration innerhab des Prozesswassers dauerhaft ausbleibt, haben wir ein Verfahren entwickelt bei dem wir vorrätiges Frischwasser in Abhängigkeit der substratspezifisch ermittelten Nährstoffnachlieferung, sowie des pH-Wertes und des Salzgehaltes innerhalb des Perkolatspeichers in selbigen eindosieren. Hierzu verwenden wir einen separaten Frischwasserspeicher der bei Bedarf mittels einer Pumpe eine entsprechende Frischwassermenge in den Perkolatspeicher zudosiert. Gleichzeitig wird dem Perkolatspeicher eine entsprechend äquivalente Menge an Wasser entzogen. Diese entzogene Flüssigkeit kann dann nach Abscheidungsverfahren und einer entsprechenden Reinigung als Flüssigdünger in der Landwirtschaft, etc. verwendet werden. Durch die MAP/Struvit-Eliminierungstechnologie wird zusätzlich die Konzentration an freiem Ammoniak im System reduziert und somit die Biogasproduktion gesteigert.
Das Verfahren der Hygienisierung und Emissionsreduzierung wird anhand der 1A näher erläutert:
Am Ende der Verweildauer wird die Hygienisierungsflüssigkeit aus dem Hygienisierungsflüssigkeitstank (HYT1) mit Hilfe einer Pumpe (P1) zu dem entsprechenden Bioreaktor (F1, F2, ...) geleitet. Durch das Hygienisierungsventil (HYGV1, HYGV2, ...) wird die Hygienisierungsflüssigkeit in den Bioreaktor eingeleitet. Der Ablaufschieber (ABS1, ABS2, ...) wird geschlossen und das Hygienisierungswasser wird im Bioreaktor (F1, F2, ...) periodisch eingestaut. Mit Hilfe des Höhenstandsmessers (HSM1, HSM2, ...) wird kontrolliert das der richtige Einstauwert erreicht wird. Mit Hilfe des Temperaturfühlers (TEMP1) wird festgehalten, dass das Hygienisierungswasser mit der geeigneten Hygienisierungstemperatur zu den Bioreaktoren (F1, F2, ...) gelangt. Mit der Temperaturmessung (TEMPABL1, TEMPABL2, ...) am Ablauf (ABL1, ABL2, ...) des Bioreaktors wird festgehalten mit welcher Temperaturdifferenz das Hygienisierungswasser den Bioreaktor (F1, F2, ...) wieder verlässt, bzw. ob über die Einstauphase von mind. 1 Stunde das Hygienisierungswasser eine konstante Temperatur von mind. 70°C hatte. Nach der Hygienisierung von mind. 1 Stunde wird die Ablaufklappe (ABL1, ABL2, ...) wieder geöffnet und das Hygienisierungswasser fließt über das Ablaufventil (HYGABL1, HYGABL2, ...) wieder zurück in den Hygienisierungsflüssigkeitstank (HYT1). Im Anschluss wird das Bioreaktortor (TOR1, TOR2, ...) geöffnet und der Gärrest mit Hilfe des Radladers entleert. Danach wird der Bioreaktor (F1, F2, ....) neu befüllt und der Prozess wiederholt.
Das Verfahren zur MAP/Struvit-Vermeidung wird anhand der 1B näher erläutert:
Im Perkolatspeicher (PS1) werden dauerhaft der pH-Wert (PHW1) und der Salzgehalt (SG1) gemessen. Bei Bedarf wird über die Verwässerungspumpe (PV1) Frischwasser aus dem Frischwassertank (FRW1) in den Perkolatspeicher (P1) eingeleitet. Gleichzeitig wird mit Hilfe der Perkolatentnahmepumpe (PE1) eine entsprechende Menge Perkolat dem Perkolatspeicher entzogen. Temperatursensorik (PTEMP1) und ein Höhenstandmelder (PHÖ1) überwachen dabei die Prozesswassertemperatur und den Füllstand im Perkolattank.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 000069523573 T2 [0002]

Claims

Verfahren zur Hygienisierung und Emissionsminderung innerhalb eines Bioreaktors einer Feststoffvergärungsanlage nach Batch-Verfahren und Verfahren zur Vermeidung von MAP/Struvit-Bildung auf einer Feststoffvergärungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Hygienisierung trotz mesophiler Vergärungsphase im selben Bioreaktor/Boxenfermenter stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Hygienisieren des zu vergärenden Materials innerhalb eines Bioreaktors/Boxenfermenters eine separate Hygienisierungsflüssigkeit aus einem separaten Flüssigkeitstank mit einer Temperatur zwischen 55°C und 80°C verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hygienisierung der gesamte Bioreaktor bis auf eine, anhängig von der Porosität des Einsatzmaterials, festgelegte Einstauhöhe von ca. 1 m bis 3 m periodisch beregnet und eingestaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für min. 1,5 Stunden auf eine Temperatur von > 70°C erhitzt und gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung der MAP/Struvit Bildung und Kristallisation eine Dekonzentration bzw. Verwässerung des Perkolat- bzw. Prozesswassers, mittels einer Förderpumpe aus einem Frischwassertank in Abhängigkeit des Höhenstandes, der Nährstoffnachlieferung, des Ammoniumgehaltes und des pH-Wertes im Perkolattank durchgeführt wird. Hierzu wird Frischwasser oder Regenwasser in den Perkolattank gepumpt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Dekonzentrieren ein separater Frisch-/Regenwassertank und ein eigens dafür vorgesehenes, vollautomatisch gesteuertes Ablaufprogramm, zwischen Frischwassertank und Perkolattank eine konstante Frischwasserzuführung regelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu entnehmende Perkolatmenge und die Entnahme der Perkolatflüssigkeit vollautomatisch und auf den berechneten Eintrag an Dekonzentrationswasser durchgeführt wird.