DE102018105035B3 - Method and system for monitoring bioreactors - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur Überwachung von Biogasanlagen, wobei mana) während des Betriebs der Biogasanlage die Menge an organischen Säuren und die Leitfähigkeit misst,b) den Quotienten aus der Menge an organischen Säuren und der Leitfähigkeit bildet und mit einem vorgegebenen Sollwert für den Quotienten vergleicht,c) und für den Fall, dass der Quotient aus der Menge an organischen Säuren und der Leitfähigkeit den vorgegebenen Sollwert für den Quotienten um den Faktor 1,5 oder mehr überschreitet,d) den Wert aufzeichnet.Beschrieben wird ferner ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung von Biogasanlagen sowie ein Computerprogrammprodukt und ein System zur Durchführung des Verfahrens.Das beschriebene Verfahren ist geeignet, auch in Kombination mit anderen, bereits bekannten Frühwarnindikatoren Biogasanlagen mit jedweder Substratbeschickung optimal zu führen und zu überwachen.Described is a method for monitoring biogas plants, mana) during operation of the biogas plant measures the amount of organic acids and the conductivity, b) the quotient of the amount of organic acids and the conductivity forms and compares with a predetermined setpoint for the quotient , c) and in the event that the quotient of the amount of organic acids and the conductivity exceeds the predetermined setpoint for the quotient by a factor of 1.5 or more, d) records the value. A method is also described for monitoring and Control of biogas plants and a computer program product and a system for carrying out the Verfahren.Das described method is suitable, even in combination with other known early warning indicators biogas plants with any substrate feed optimally lead and monitor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung von Biogasanlagen sowie ein Computerprogrammprodukt und ein System zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for monitoring and controlling biogas plants and to a computer program product and a system for carrying out the method.
Die Vergärung von biogenen Rohstoffen in Biogasanlagen ist ein komplexer mehrstufiger mikrobieller Prozess, an dem unterschiedliche Mikroorganismen und Gruppen von Mikroorganismen beteiligt sind, die teilweise in sehr engen Wechselbeziehungen zueinander stehen. Die Stoffumsatzleistung der Mikroorganismen bestimmt in entscheidendem Maße sowohl die Effizienz einer Biogasanlage als auch die Prozessstabilität. Für den optimalen Betrieb einer Biogasanlage und deren Prozessführung müssen die Lebensbedingungen für die Mikroorganismen stets optimal gehalten werden.The fermentation of biogenic raw materials in biogas plants is a complex multi-stage microbial process, in which different microorganisms and groups of microorganisms are involved, some of which are in very close correlation with each other. The metabolic rate of the microorganisms decisively determines both the efficiency of a biogas plant and the process stability. For optimum operation of a biogas plant and its process management, the living conditions for the microorganisms must always be optimally maintained.
Ein spezielles Problem bei der Prozessführung ist das Verhindern der Übersäuerung. Diese entsteht vor allem durch den Abbau der zugeführten Nährstoffe (Substrate) zu kurzkettigen organischen Säuren wie beispielsweise Essigsäure oder Propionsäure. Eine übermäßig hohe Konzentration dieser Säuren führt zu einer Absenkung des pH-Wertes und, dadurch bedingt, zu einer Hemmung des Wachstums der methanbildenden Mikroorganismen. Bei einem weiteren Absinken des pH-Wertes wird das Wachstum schließlich ganz eingestellt und die Gasproduktion im Reaktor nimmt stark ab. Das System ist übersäuert.A special problem in the process management is the prevention of hyperacidity. This is mainly due to the degradation of the supplied nutrients (substrates) to short-chain organic acids such as acetic acid or propionic acid. An excessively high concentration of these acids leads to a lowering of the pH and, as a result, to an inhibition of the growth of the methanogenic microorganisms. When the pH drops further, the growth is finally stopped and the gas production in the reactor decreases sharply. The system is acidified.
Ist eine Übersäuerung erst einmal eingetreten, dann ist die Stabilisierung des Prozesses nur noch schwer möglich. Vor allem erfordert die Regeneration sehr viel Zeit.Once hyperacidity has occurred, it is difficult to stabilize the process. Above all, the regeneration requires a lot of time.
Daher ist es für eine optimale Prozessführung unerlässlich, eine Übersäuerung möglichst frühzeitig zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Geeignete Maßnahmen stellen beispielsweise die Zugabe von Alkalien zur Stabilisierung des pH-Wertes oder das Verringern des Substrateintrages dar.Therefore, it is essential for optimal process control to recognize acidification as early as possible and initiate appropriate countermeasures. Suitable measures are, for example, the addition of alkalis to stabilize the pH or to reduce the substrate input.
Für eine optimale Prozessführung wird der Reaktor ständig überwacht und alle wichtigen Prozessparameter wie pH-Wert, Gaskonzentrationen in der flüssigen und gasförmigen Phase, gebildete Methangasmengen in Form der Gasbildungsrate und die Raumbelastung werden beobachtet, gemessen, aufgezeichnet und ausgewertet. Mit Hilfe dieser Parameter wird dann die Biogasanlage mit dem Ziel der Steigerung und Optimierung der Raum-ZeitAusbeute betrieben. Eine wirksame Prozessführung auf Basis des pH-Wertes alleine ist nicht ausreichend, da sich das System bereits in einem kritischen Stadium befindet, wenn der pH-Wert absinkt.For optimal process control, the reactor is constantly monitored and all important process parameters such as pH, gas concentrations in the liquid and gaseous phase, methane gas quantities formed in the form of gas formation rate and the space load are observed, measured, recorded and evaluated. With the help of these parameters, the biogas plant is then operated with the aim of increasing and optimizing the space-time yield. Effective process control based on the pH alone is not sufficient because the system is already at a critical stage when the pH drops.
Üblicherweise werden im Labor die Summenkonzentration der organischen Säuren, seltener das Säurespektrum (mittels Photometrie, Titration, HPLC oder GC), der FOS/TAC-Wert (mittels Titration) sowie der TS- und oTS-Anteil als Frühwarnindikatoren (FWI) und Prozessparameter bestimmt. Für bestimmte Biogasanlagen eignen sich zudem die im Labor zu bestimmenden Frühwarnindikatoren oS/Ca, P/Ca und P wie diese in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, weitere Parameter zur frühzeitigen Erkennung einer Übersäuerung in einem Bioreaktor zur Verfügung zu stellen, die zuverlässig und einfach zu bestimmen sind und die es ermöglichen in einem sehr frühen Stadium einer drohenden Übersäuerung entgegenzuwirken.It is therefore an object of the present invention to provide further parameters for the early detection of hyperacidity in a bioreactor, which are reliable and easy to determine and which make it possible to counteract impending hyperacidity at a very early stage.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.The object of the invention is achieved by a method according to the main claim. Advantageous embodiments of the method are characterized in the dependent subclaims.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist also ein Verfahren zur Überwachung von Biogasanlagen, wobei man
- a) während des Betriebs der Biogasanlage die Menge an organischen Säuren und die Leitfähigkeit misst,
- b) den Quotienten aus der Menge an organischen Säuren und der Leitfähigkeit bildet und mit einem vorgegebenen Sollwert für den Quotienten vergleicht,
- c) und für den Fall, dass der Quotient aus der Menge an organischen Säuren und der Leitfähigkeit den vorgegebenen Sollwert für den Quotienten um den
1,5 oder mehr überschreitet,Faktor - d) den Wert aufzeichnet.
- a) measuring the amount of organic acids and the conductivity during operation of the biogas plant,
- b) the quotient of the amount of organic acids and the conductivity forms and compares with a predetermined setpoint for the quotient,
- c) and in the event that the quotient of the amount of organic acids and the conductivity exceeds the predetermined setpoint for the quotient by a factor of 1.5 or more,
- d) records the value.
Bevorzugt in dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass man im Schritt a) zusätzlich die Calciumkonzentration und/oder die Phosphatkonzentration misst.
Bevorzugt ist weiterhin ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei man im Schritt b) zusätzlich den Quotienten aus der Menge an organischen Säuren und der Calciumkonzentration und/oder den Quotienten aus der Phosphatkonzentration und der Calciumkonzentration bildet und mit einem für die jeweiligen Quotienten vorgegebenen Sollwert für den jeweiligen Quotienten vergleicht und/oder die Phosphatkonzentration mit einem vorgegebene Sollwert für die Phosphatkonzentration vergleicht. It is preferred in the process according to the invention that the calcium concentration and / or the phosphate concentration are additionally measured in step a).
Preference is furthermore given to a process according to the invention, wherein in step b) the quotient of the amount of organic acids and the calcium concentration and / or the quotient of the phosphate concentration and the calcium concentration is additionally formed and a desired value for the respective quotient given for the respective quotients compares and / or compares the phosphate concentration with a predetermined setpoint for the phosphate concentration.
Besonders bevorzugt ist es dabei, dass im Schritt c) der Faktor für das Überschreiten des Sollwertes für den Quotienten aus organischen Säuren und der Calciumkonzentration 2,5 oder höher ist, für den Quotienten aus der Phosphatkonzentration und der Calciumkonzentration 1,5 oder höher ist, und für die Phosphatkonzentration
Durch die Messung weiterer Parameter (Calciumkonzentration, Phosphatkonzentration) ist es möglich, zusätzliche bekannte Frühwarnindikatoren zu ermitteln, um den Biogasprozess besser zu überwachen.It is particularly preferred that in step c) the factor for exceeding the setpoint for the quotient of organic acids and the calcium concentration is 2.5 or higher, for the quotient of the phosphate concentration and the calcium concentration is 1.5 or higher, and for the
By measuring other parameters (calcium concentration, phosphate concentration) it is possible to identify additional known early warning indicators to better monitor the biogas process.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, in welchem man beim Überschreiten mindestens eines vorgegebenen Sollwerts um den jeweils vorgegebenen Faktor, Maßnahmen gegen die zu erwartende Übersäuerung des Biogasprozesses einleitet.Preference is given to a method according to the invention in which, when at least one predetermined setpoint value is exceeded by the respective predetermined factor, measures are initiated against the expected overacidification of the biogas process.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Maßnahmen gegen die zu erwartende Übersäuerung ausgewählt sind aus der Zufuhr von den pH-Wert erhöhenden chemischen Verbindungen, der Zufuhr von Spurenelementen und der Verminderung der Zufuhr von Substraten.It is particularly preferred that the measures against the expected hyperacidity are selected from the supply of the pH-increasing chemical compounds, the supply of trace elements and the reduction of the supply of substrates.
Weiterhin ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass man die Messungen in regelmäßigen Intervallen und/oder kontinuierlich durchführt. Die Durchführung der kontinuierlichen Messung ist vorteilhaft, wenn sich die Messwerte online ermitteln lassen. So ist eine kontinuierliche Messung möglich. Bei anderen Messverfahren, insbesondere bei Titrationsverfahren, ist eine Messung in bestimmten Intervallen vorteilhaft, da die Probenaufbereitung und Probenmessung eine gewisse Zeit erfordert.Furthermore, it is preferred according to the invention to carry out the measurements at regular intervals and / or continuously. Carrying out the continuous measurement is advantageous if the measured values can be determined online. So a continuous measurement is possible. In other measuring methods, in particular in titration methods, a measurement at certain intervals is advantageous, since the sample preparation and sample measurement requires a certain amount of time.
Bevorzugt ist dabei aber auch, dass die regelmäßigen Intervalle zwischen einer Stunde und einem Tag lang sind. Dies ist bei kleineren Biogasanlagen vorteilhaft, da eine kontinuierliche und/oder online durchgeführte Messung zu einem hohen Kostenaufwand führt und somit für derartige Biogasanlagen nicht mehr rentabel ist. Da die Vorwarnzeiten aber mehrere Tage betragen, ist eine tägliche Messung der relevanten Parameter aus Kostengründen angezeigt und führt dennoch zu einer erfindungsgemäßen Überwachung der Biogasanlage.But it is also preferable that the regular intervals are between one hour and one day long. This is advantageous for smaller biogas plants, since a continuous and / or online measurement leads to a high cost and thus is no longer profitable for such biogas plants. However, since the pre-warning times are several days, a daily measurement of the relevant parameters is indicated for cost reasons and still leads to a monitoring of the biogas plant according to the invention.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem man die Werte der Messungen kontinuierlich aufzeichnet. Damit wird sichergestellt, dass auch die jeweilige Quotientenbildung kontinuierlich erfolgen kann und somit auch die Änderung der Quotienten über einen langen Zeitraum kontinuierlich beobachtet werden kann. Die so kontinuierlich erfassten Werte und Quotienten können dann mittels geeigneter und dem Fachmann bekannten statistischer Verfahren ausgewertet und in einem entsprechenden Computerprogrammprodukt verarbeitet und ausgewertet werden.Particularly preferred is a method according to the invention in which the values of the measurements are continuously recorded. This ensures that the respective quotient formation can take place continuously and thus also the change of the quotients over a long period of time can be continuously monitored. The thus continuously recorded values and quotients can then be evaluated by means of suitable statistical methods known to the person skilled in the art and processed and evaluated in a corresponding computer program product.
Gegenstand der vorzeigenden Erfindung ist daher auch ein Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen internen Speicher einer Recheneinheit ladbar ist und Softwarecode oder Teile davon umfasst, welche zur Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem der voranstehenden Ansprüche ausführbar sind, wenn man das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinheit ausführt.The subject of the present invention is therefore also a computer program product, which is directly loadable into an internal memory of a computing unit and software code or parts thereof, which are executable for performing the method steps according to one of the preceding claims, when executing the computer program product on a computing unit.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein System zur Überwachung und Steuerung von Biogasanlagen, umfassend
- a) mindestens eine Recheneinheit,
- b) mindestens einen Datenübertragungsbus, welcher mit externen Peripheriegeräten der Biogasanlage verbunden ist,
- c) mindestens eine interne Datenbank,
- d) mindestens eine Überwachungs- und/oder Steuerungssoftware zur Analyse der aus den externen Peripheriegeräten übermittelten Messwerten und Daten, und
- e) mindestens ein Endgerät zur Visualisierung von Informationen.
- a) at least one computing unit,
- b) at least one data transfer bus which is connected to external peripherals of the biogas plant,
- c) at least one internal database,
- d) at least one monitoring and / or control software for analyzing the measured values and data transmitted from the external peripherals, and
- e) at least one terminal for visualizing information.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist dabei ein erfindungsgemäßes System, bei dem die Überwachungs- und/oder Steuerungssoftware ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt ist. Particularly preferred according to the invention is a system according to the invention in which the monitoring and / or control software is a computer program product according to the invention.
Besonders bevorzugt ist ferner ein erfindungsgemäßes System, bei welchem weiterhin ein Datenausgabebus und/oder Steuerungsbus vorgesehen ist, welcher zur Einleitung von Maßnahmen gegen die zu erwartende Übersäuerung angepasst ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch die geeigneten Maßnahmen gegen die zu erwartende Übersäuerung automatisch vorgenommen werden können. Dabei ist das Computerprogrammprodukt derart ausgestaltet, dass es die jeweils optimale Maßnahme mittels der in laufenden Verfahren aufgezeichneten Parameter oder aber aus früheren Verfahren ermittelten und gelernten Parametern eigenständig ermitteln und die optimale Maßnahme oder Maßnahmenkombination ausführen kann.Also particularly preferred is a system according to the invention, in which a data output bus and / or control bus is furthermore provided, which is adapted to initiate measures against the expected hyperacidity. This is particularly advantageous because it allows the appropriate measures against the expected hyperacidity can be automatically made. In this case, the computer program product is designed in such a way that it can independently determine the respectively optimum measure by means of the parameters recorded in current methods or parameters determined and learned from previous methods and execute the optimal measure or combination of measures.
Die vorliegende Erfindung wird mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 die lineare Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit, der Pufferkapazität (TAC) ○ und dem gelösten Carbonat ♦ für dieÜbersäuerungsexperimente 1 bis3 bei pH > 6,5; -
2 den Verlauf der Betriebsparameter pH-Wert (♦), org. Säuren (▲), Gasbildungsrate (+) und dem Verhältnis aus organischen Säuren zur elektrischen Leitfähigkeit (A/elCon) (●) bei steigender Raumbelastung (- - - - -) bis zur vollständigen Übersäuerung an Tag 54. Der FWI A/elCon warnt bereits ab Tag 47 vor einer drohenden Prozessstörung. Übersäuerungszeitraum: -
3 den Verlauf des pH-Wertes (♦), des FOS/TAC (■) und des Verhältnisses aus organischen Säuren zur Leitfähigkeit (A/elCon) (●) bei der Simulation einer Übersäuerung einer Klärschlamm- und organische Abfällevergärenden Biogasanlage durch Zugabe von Essigsäure; und -
4 eine schematische Darstellung eines Systems zur Überwachung und Steuerung von Biogasreaktoren.
-
1 the linear dependence of the electrical conductivity, the buffer capacity (TAC) ○ and the dissolved carbonate ♦ for the hyperacidity experiments1 to3 at pH>6.5; -
2 the course of the operating parameters pH value (♦), org. Acids (▲), gas formation rate (+) and the ratio of organic acids to electrical conductivity (A / elCon) (●) with increasing volume load (- - - - -) until complete overacidification on day 54. The FWI A / elCon warns already starting from day 47 before an impending process disturbance. Acidification period: -
3 the course of the pH value (♦), the FOS / TAC (■) and the ratio of organic acids to conductivity (A / elCon) (●) in the simulation of a hyperacidity of a sewage sludge and organic waste fermentation biogas plant by the addition of acetic acid; and -
4 a schematic representation of a system for monitoring and control of biogas reactors.
Die Erfinder bezeichnen den neuen, erfindungsgemäßen Frühwarnindikator (FWI) mit A/elCon, wobei A für organische Säuren (Acids) und elCon für elektrische Leitfähigkeit (electrical Conductivity) stehen. Der hierin verwendete Begriff der organischen Säuren wird auch mit der Abkürzung „oS“ bezeichnet. Somit sind die Abkürzungen „A“ und „oS“ als äquivalent anzusehen.The inventors refer to the novel early warning indicator (FWI) according to the invention with A / elCon, where A stands for organic acids (Acids) and elCon for electrical conductivity (Conductivity). The term organic acids used herein is also referred to by the abbreviation "oS". Thus, the abbreviations "A" and "oS" are to be considered equivalent.
Die Erfinder haben nunmehr insgesamt vier Frühwarnindikatoren zur Verfügung gestellt, um Biogasanlagen optimal überwachen zu können. Jeder der Frühwarnindikatoren für sich ist in der Lage, die drohende Übersäuerung des Biogasbildungsprozesses zu erkennen. Da jedoch die Zusammensetzung der Substrate von Biogasanlagen sehr unterschiedlich sein kann und sich die Zusammensetzung im Verlauf der Dauer des Gärprozesses ändern kann, da beispielsweise andere Substrate zugegeben werden, ist es vorteilhaft mehrere Frühwarnindikatoren gleichzeitig zu ermitteln. Mit der vorliegenden Erfindung ist dies einfach möglich, da einige Parameter, welche in der Gärflüssigkeit ermittelt werden, einzeln oder in Kombination mit anderen Parametern für die Verwendung als Frühwarnindikator geeignet sind.The inventors have now made a total of four early warning indicators available to optimally monitor biogas plants. Each of the early warning indicators is able to identify the impending acidification of the biogas production process. However, since the composition of the substrates of biogas plants can be very different and the composition can change over the course of the fermentation process, since, for example, other substrates are added, it is advantageous to determine several early warning indicators simultaneously. With the present invention, this is easily possible because some parameters determined in the fermentation liquor, alone or in combination with other parameters, are suitable for use as an early warning indicator.
Die Online-Messung der Calciumkonzentrationen mittels Fluoreszenzspektroskopie unter Verwendung Calcium-spezifischer Optoden ist bekannt. Diese und weitere Optoden sind beispielsweise in der
Die von diesen Sensoren ermittelten Werte der für die Frühwarnindikatoren wichtigen Werte der jeweiligen Parameter, wie Phosphat, Calcium, organischen Säuren und/oder Leitfähigkeit, werden mittels eines Rechners verarbeitet. Dabei wird der entsprechende Quotient dieser Gehalte entsprechend ermittelt und mittels eines Rechners weiter verarbeitet. Diese Messungen können in zuvor bestimmten Intervallen wiederholt und jeweils weiterverarbeitet und gespeichert werden. Aus diesen Werten wird vorzugsweise eine Basislinie errechnet, welche für die Ermittlung des Schwellwertes zur Alarmauslösung zu Grunde gelegt wird. Aus der so erhaltenen Reihe von Messwerten wird dann eine Tendenz ermittelt und beim Erreichen des Schwellwertes ein Signal erzeugt. Derartige Verfahren zur Verarbeitung solcher Messwerte sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Mess- und Regeltechnik bekannt. Auch die Erstellung eines hierfür zu verwendenden Computerprogrammprodukts ist dem Fachmann an sich bekannt.The values of the respective parameters, such as phosphate, calcium, organic acids and / or conductivity, which are important for the early-warning indicators, are determined by means of a computer. The corresponding quotient of these contents is determined accordingly and further processed by means of a computer. These measurements can be repeated at predetermined intervals and further processed and stored. From these values, a baseline is preferably calculated, which is used as the basis for determining the threshold value for triggering the alarm. Out of that way The resulting series of measured values then determines a tendency and generates a signal when the threshold value is reached. Such methods for processing such measured values are known to those skilled in the field of measurement and control technology. The creation of a computer program product to be used for this purpose is also known per se to the person skilled in the art.
Das beim Erreichen des Schwellwertes erzeugte Signal wird dann einer Ausgabeeinheit zugeführt. Diese Ausgabeeinheit kann ein optisches oder akustisches Signal erzeugen, wie beispielsweise eine Hupe betätigen. Die Ausgabeeinheit kann das Signal vorzugsweise an eine Eingabeeinheit der Prozesssteuerungseinheit weiterleiten. Die eben genannte Eingabeeinheit kann dabei auch integraler Bestandteil der Ausgabeeinheit sein. Derartige elektronische Bauteile sind an sich bekannt. Beim Vorliegen des Signals des Schwellwertes kann die Prozesssteuerungseinheit dann gemäß vorher bestimmter Entscheidungsabläufe in den Reaktor eingreifen. Bevorzugt ist dabei, dass Zugabeeinheiten zur Zuführung flüssiger und/oder fester Stoffe angesteuert werden. Derartige Zugabeeinheiten können Pumpen, wie Dosierpumpen, Dickstoffpumpen, Membranpumpen, etc., Feststoffzuführvorrichtungen, und dergleichen sein.The signal generated when reaching the threshold value is then supplied to an output unit. This output unit can generate an optical or acoustic signal, such as a horn actuate. The output unit may preferably forward the signal to an input unit of the process control unit. The aforementioned input unit can also be an integral part of the output unit. Such electronic components are known per se. When the signal of the threshold value is present, the process control unit can then intervene in the reactor in accordance with predetermined decision sequences. It is preferred that addition units for supplying liquid and / or solids are controlled. Such addition units may be pumps such as metering pumps, solids pumps, membrane pumps, etc., solids feeders, and the like.
Stoffe welche zugegeben werden können, umfassen beispielsweise Natronlauge, Ätznatron als Feststoff, Branntkalk (CaO), flüssige oder feste Alkalien. Die Zufuhreinheit kann aber auch derart gesteuert werden, dass die Zufuhr verringert oder gestoppt wird. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn der Substrateintrag verändert werden soll, um die Übersäuerung zu vermeiden. Die Zugabe von CaO ist allerdings bevorzugt, da es sich herausgestellt hat, dass durch die Zugabe von CaO eine höhere Raumbelastung erzielt werden kann. Auch ist die Zugabe von Spurenelementen besonders bevorzugt. Damit kann das Wachstum der zur Durchführung des Biogasprozesses erforderlichen Mikroorganismen befördert werden, was auch zu einer Stabilisierung des Biogasprozesses führt. Somit kann auch die drohende Übersäuerung abgewendet werden.Substances which can be added include, for example, caustic soda, caustic soda as a solid, quicklime (CaO), liquid or solid alkalis. However, the supply unit can also be controlled so that the supply is reduced or stopped. This is the case, for example, when the substrate entry is to be changed in order to avoid the overacidification. The addition of CaO is preferred, however, since it has been found that a higher volume loading can be achieved by the addition of CaO. Also, the addition of trace elements is particularly preferred. Thus, the growth of the microorganisms required to carry out the biogas process can be promoted, which also leads to a stabilization of the biogas process. Thus, the threat of hyperacidity can be averted.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung näher, ohne den Umfang der Erfindung zu beschränken.The following examples illustrate the invention in more detail without limiting the scope of the invention.
Beispiel 1example 1
Übersäuerungsexperimenteacidification experiments
Es wurden drei Übersäuerungsexperimente durchgeführt. Hierzu wurde jeweils ein Bioreaktor mit einem Gärvolumen von 20 L bei einer Temperatur von 37 °C mit einem Substrat beschickt und vergärt, wobei das Substrat aus 95 % Maissilage und 5 % Rindergülle (bezogen auf oTS) bestand. Die Steigerung der Raumbelastung erfolgte alle 8 Tage um 1 kg oTS m-3 d-1.Three hyperacidity experiments were performed. For this purpose, in each case a bioreactor with a fermentation volume of 20 L at a temperature of 37 ° C was charged with a substrate and fermented, the substrate consisting of 95% corn silage and 5% cattle slurry (based on oTS). The increase in volume was carried out every 8 days by 1 kg oTS m -3 d -1 .
In den drei Übersäuerungsexperimenten, welche in der
In der
Die Tabelle 1 zeigt die Warnzeiten ausgesuchter Prozessparameter und der Frühwarnindikatoren organische Säuren, pH-Wert, FOS/TAC, Biogasausbeute, oS/Ca, P/Ca, P und A/elCon für die drei Übersäuerungsexperimente. Die ebenfalls von den Erfindern gefundenen Frühwarnindikatoren oS/Ca, P/Ca und P wurden für die Co-Vergärung von fettreichen Substraten in Abfallbiogasanlagen entwickelt. Da die Substrate von landwirtschaftlichen Biogasanlagen deutlich geringere Fettanteile aufweisen, kam es zu keinem charakteristischen Abfall der Calciumkonzentration vor Eintreten einer Übersäuerung, wodurch eine drohende Störung erst verzögert angezeigt wurde. Im Vergleich warnte der A/elCon in zwei von drei Übersäuerungsexperimenten am frühesten. Nur in Versuch
Beispiel 2Example 2
Simulation einer Übersäuerung eines mit Klärschlamm und organischen Abfällen betriebenen BiogasprozessesSimulation of acidification of a sewage sludge and organic waste biogas process
Um zu untersuchen, ob das Verhältnis aus organischen Säuren zur elektrischen Leitfähigkeit, kurz A/elCon, als Frühwarnindikator (FWI) eine drohende Übersäuerung auch bei abfallwirtschaftlichen Kläranlagen anzeigt und somit in verschiedenen Anlagentypen als FWI eingesetzt werden kann, wurde in einem Laborversuch eine Übersäuerung eines mit Klärschlamm und organischen Abfällen betriebenen Biogasprozesses simuliert.In order to investigate whether the ratio of organic acids to electrical conductivity, in short A / elCon, as an early warning indicator (FWI) indicates an imminent acidification even in wastewater treatment plants and thus can be used as FWI in different plant types, in a laboratory experiment an overacidification of a simulated with sewage sludge and organic wastes operated biogas process.
Dazu wurden unterschiedliche Essigsäuremengen in fünf 200 mL Gärrestfraktionen aus einer mit Klärschlamm und organischen Abfällen betriebenen Biogasanlage zugefügt. Mit steigender Säurekonzentration nahm der pH-Wert ab. Der A/elCon warnte bereits vor Absinken des pH-Wertes unter
Die Ergebnisse bestätigen, dass der A/elCon auch in Biogasanlagen der Abfallwirtschaft zuverlässig und frühzeitig, drohende Prozessstörungen anzeigt. The results confirm that the A / elCon reliably and early indicates impending process disturbances in waste gas biogas plants.
Beispiel 3Example 3
Aufbau und Funktion einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung und Steuerung von Biogasanlagen In der
Die Recheneinheit
Mittels der Schnittstelle
Mittels der Schnittstelle
Die Schnittstelle
Die Schnittstelle
Das System
Ferner umfasst das System
Selbstverständlich umfasst die Recheneinheit
Selbstverständlich kann erfindungsgemäß die Visualisierung auch über den Monitor eines Datensystems der Biogasanlage erfolgen. In vielen Biogasanlagen sind Datensysteme und Rechner vorhanden, welche beispielsweise zur Erfassung von Betriebsparametern verwendet werden. In derartigen Biogasanlagenrechnersystemen kann mittels des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt und die Information beispielsweise auf einem Bildschirm zur Überwachung und Steuerung der Biogasanlage dargestellt werden.Of course, according to the invention, the visualization can also take place via the monitor of a data system of the biogas plant. Many biogas plants have data systems and computers which are used, for example, for recording operating parameters. In such biogas plant computer systems, the inventive method can be carried out by means of the computer program product according to the invention and the information can be displayed, for example, on a screen for monitoring and controlling the biogas plant.
Das erfindungsgemäße System ermöglicht es, Biogasanlagen jedweder Art, autonom und vollautomatisch zu steuern, und zwar online, remote oder manuell. Durch die Verwendung von vier unterschiedlichen Frühwarnindikatorsystemen können Biogasanlagen überwacht und gesteuert werden, welche mit unterschiedlichen Substarten beladen werden. Dies sind sowohl Substrate aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo), welche im Allgemeinen fettarm sind, oder aber auch fetthaltige oder fettreiche Roh- und Abfallstoffe wie diese bei der Abfallbeseitigung anfallen. Dies gilt auch für Abfälle im landwirtschaftlichen Bereich, insbesondere bei der Tierhaltung, wo stark stickstoffhaltige und gülleähnliche Abfallstoffe vorliegen.The system according to the invention makes it possible to autonomously and fully automatically control biogas plants of any kind, namely online, remotely or manually. By using four different early warning indicator systems biogas plants can be monitored and controlled, which are loaded with different sub-types. These are both substrates from renewable resources (NaWaRo), which are generally low in fat, or even fatty or high-fat raw materials and waste such as these incurred in waste disposal. This also applies to waste in the agricultural sector, especially in animal husbandry, where highly nitrogen-containing and manure-like waste materials are present.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Systemsystem
- 22
- Recheneinheitcomputer unit
- 33
- Datenübertragungsbusdata transfer bus
- 44
- Datenausgabebus/SteuerungsbusData output bus / control bus
- 55
- Datenbank der BiogasanlageDatabase of the biogas plant
- 66
- Daten der BiogasanlageData of the biogas plant
- 77
- Schnittstelleinterface
- 88th
- Interne DatenbankInternal database
- 99
- Überwachungs-/SteuerungssoftwareMonitoring / control software
- 1010
- Endgerätterminal
- 1111
- Eingabegerätinput device
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DE102008044204A1 (en) | 2008-11-28 | 2010-06-10 | Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum - GFZ Stiftung des Öffentlichen Rechts des Landes Brandenburg | Process control of biogas plant comprises measuring quantities of organic acids and calcium ions during operation of biogas plant in predetermined intervals, determining ratio of these quantities and comparing it with previous intervals |
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-
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- 2018-03-06 DE DE102018105035.6A patent/DE102018105035B3/en active Active
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