DE102021122393A1

DE102021122393A1 - Verfahren und Anlage zum Abtrennen einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung aus einer Trockenmasse durch Trockenmagnetscheidung

Info

Publication number: DE102021122393A1
Application number: DE102021122393.8A
Authority: DE
Inventors: Udo Comes; Karl Markgraf
Original assignee: Mutec Markgraf GmbH
Current assignee: Mutec Markgraf GmbH
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2023-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Abtrennen einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung (4.3), insbesondere Eisenphosphat, aus einer Trockenmasse (4.1), insbesondere aus biogenen Reststoffen, durch Trockenmagnetscheidung. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:a) Bereitstellen der Trockenmasse (4.1) in Form eines Pulvers (4.2) undb) Beaufschlagen des Pulvers (4.2) mit einem Magnetfeld (25), sodass die magnetische, phosphorhaltige Verbindung (4.3) durch das Magnetfeld (25) angezogen und von dem Pulver (4.2) separiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung, insbesondere von als Eisenphosphat vorliegendem Phosphor, aus einer Trockenmasse, insbesondere aus biogenen Reststoffen, durch Trockenmagnetscheidung, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Biogene Reststoffe bieten mehrere Potenziale, insbesondere Nährstoffe, Energie und Phosphor, die durch die aktuellen Prozessketten häufig unzureichend genutzt werden. Oftmals werden biogene Reststoffe nur entsorgt und nicht verwertet.
Die Nährstoffe, die sich in biogenen Reststoffen befinden, liegen häufig in einer chemisch instabilen und wässrigen Form vor und sind für größere Entfernungen nicht transportwürdig. Als Beispiele sind Gülle und Gärreste zu nennen.
Das energetische Potenzial biogener Reststoffe ist die in den komplexen organischen Molekülen chemisch gebundene Energie, die als Biomassebrennstoff für den direkten Ersatz fossiler Brennstoffe eingesetzt werden kann.
Ein weiteres Potenzial ist Phosphor, ein essenzieller Rohstoff, der weder ersetzbar noch erneuerbar ist. Daher werden aktuell verschiedene Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus biogenen Reststoffen mit einem Phosphoranteil entwickelt.
Schließlich stellt das in Form von Feuchtigkeit in den Reststoffen gebundene Wasser ein wertvolles Gut als Trink- oder Brauchwasser dar.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit denen Phosphor aus Trockenmasse einfach und effektiv abgetrennt werden kann, um ihn nutzbar zu machen. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zu schaffen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.
Zur Problemlösung wird erfindungsgemäß der Phosphor durch Trockenmagnetscheidung aus der Trockenmasse entfernt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

a) Bereitstellen einer Trockenmasse, welche die magnetische, phosphorhaltige Verbindung enthält, in Form eines Pulvers und
b) Beaufschlagen des Pulvers mit einem Magnetfeld, sodass die magnetische, phosphorhaltige Verbindung durch das Magnetfeld angezogen und von dem restlichen Pulver separiert wird.

Der Phosphor ist dabei in magnetischen Verbindungen, insbesondere Molekülen oder Salzen, chemisch gebunden und kann in beliebiger Oxidationsstufe vorliegen. Beispielsweise kann der Phosphor als ein Salz einer Oxosäure des Phosphors vorliegen, insbesondere ein Salz der Phosphorsäure H₃PO₄, der Phosphonsäure H₂PHO₃, der Phosphinsäure HPH₂O₂ oder der entsprechenden Diphosphorsäuren. Als Salze der Phosphorsäure sind insbesondere Dihydrogenphosphate (primäre Phosphate) M'H₂PO₄, Hydrogenphosphate (sekundäre Phosphate) M'₂HPO₄ oder neutrale Phosphate (tertiäre Phosphate) M'₃PO₄ zu nennen. Als Salze der Phosphonsäure sind insbesondere primäre Phosphonate M'H₂PO₃ und sekundäre Phosphonate M'₂HPO₃ zu nennen. Als Salze der Phosphinsäure sind insbesondere primäre Phosphinate M'H₂PO₂ und sekundäre Phosphinate M'_ZHPO₂ Phosphinate zu nennen. Dabei bezeichnet M' jeweils ein magnetisches Metall einer beliebigen Valenz (die vorgenannten Summenformeln der Verbindungen beziehen sich beispielhaft auf ein einwertiges Metall M⁺¹). Als magnetische Metalle, kommen insbesondere die ferromagnetischen Metalle Eisen Fe, Kobalt Co und Nickel Ni in beliebigen Oxidationsstufen in Frage. Als im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugte magnetische Verbindungen sind Eisenphosphate zu nennen, insbesondere Eisen(II)-phosphate wie Fe₃(PO₄)₂· und Eisen(III)-phosphate wie FePO₄.
Unter Trockenmasse wird im Rahmen der Erfindung eine Masse verstanden, deren Feuchtigkeitsgehalt so niedrig ist, dass sie nicht mehr klebend ist. Insbesondere handelt es sich um eine rieselfähige Trockenmasse.
Die Trockenmasse wird vorzugsweise aus Reststoffen gewonnen. Der Begriff Reststoff wird im Rahmen der Erfindung breit verstanden und umfasst insbesondere aber nicht ausschließlich biogene Reststoffe. Biogene Reststoffe sind organische Abfälle und Abwässer, land- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte und biogene Produktionsreste. Darüber umfasst der Begriff Reststoff für die Beschreibung der Ausgangsstoffe dieses Verfahrens alle heterogenen Stoffgemische mit organischen Anteilen. Dies sind u. a. Klärschlamm (Primärschlamm, Sekundärschlamm, Tertiärschlamm, Faulschlamm) und darüber hinaus auch Gülle, Gärreste, Teich- oder Flussschlamm, und Algen sowie sonstige Reststoffe von Meerespflanzen und -tieren, als auch sonstige organische Stoffgemische und Sekundärrohstoffe.
Sofern der in der Trockenmasse bzw. dem Reststoff (als Ausgangsmaterial für die Trockenmasse) vorhandene Phosphor nicht in Form einer magnetischen Verbindung vorliegt, kann das Bereitstellen der Trockenmasse in Schritt a) eine chemische Überführung der ursprünglichen Phosphorverbindung in eine magnetische Verbindung umfassen. Beispielsweise wird zu diesem Zweck die Trockenmasse bzw. der Reststoff mit einem geeigneten Salz eines magnetischen Metalls M' oder einer Lösung hiervon versetzt, sodass es zur Bildung der magnetischen Verbindung kommt. So kann etwa eine Eisensalz-Lösung, wie Eisen(II)-chlorid oder Eisen(lll)-chlorid eingesetzt werden.
Vorzugsweise setzt sich im Separationsschritt die von dem Pulver separierte magnetische, phosphorhaltige Verbindung auf einem das Magnetfeld erzeugenden Magneten oder einem durch den Magneten magnetisierten Element ab. Auf diese Weise erfolgt eine temporäre Immobilisierung der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung an dem Magneten oder dem magnetisierten Element, wodurch die weitere Separation vereinfacht wird. Das magnetisierte Element fungiert in diesem Fall als ein (Zwischen)speicher oder Speicherbehälter für die abgetrennte Verbindung.
In bevorzugter Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner den Schritt

c) Abschalten des Magnetfelds, sodass die auf dem Magneten oder dem magnetisierten Element abgesetzte magnetische, phosphorhaltige Verbindung freigesetzt wird.

Hierdurch wird die temporäre Immobilisierung der magnetischen Verbindung beendet, sodass diese aufgefangen und abtransportiert werden kann.
Die Beaufschlagung des Pulvers mit dem Magnetfeld kann auf verschiedene Weise erfolgen. Sie kann statisch erfolgen, wobei das unbewegte Pulver in einem Magnetfeld, das von einem unbewegten Magneten erzeugt wird, beaufschlagt wird. Alternativ erfolgt die Beaufschlagung nicht statisch, wobei eine Relativbewegung zwischen Pulver und Magnet bzw. magnetisiertem Element erzeugt wird, indem das Pulver oder der Magnet bzw. das magnetisierte Element relativ zueinander bewegt wird. Hier ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Pulver durch das Magnetfeld bewegt wird oder sich schwerkraftgeführt bewegt, wobei das Magnetfeld von einem vorzugsweise unbewegten Magneten bzw. unbewegten magnetisierten Element erzeugt wird.
Das Separieren kann beispielsweise durch Streuen einer dünnen Schicht der pulverförmigen Trockenmasse auf eine magnetisch wirksame Unterlage, durch Verwirbeln (Verblasen) vor einer magnetisch wirksamen Magnetplatte, oder auf eine sonstige Art und Weise, die es gestattet, die magnetische, phosphorhaltige Verbindung aus der Trockenmasse durch die Wirkung des Magnetfeldes herauszuziehen. Als „magnetisch wirksam“ wird im Rahmen dieser Beschreibung ein Gegenstand verstanden, der durch einen Magneten insbesondere temporär magnetisiert ist oder selbst (permanent)magnetisch ist.
Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens bewegt sich das Trockenmassenpulver schwerkraftgeführt durch ein Fallgehäuse, d.h. es fällt oder rieselt durch das Fallgehäuse, und setzt sich an einer von außen durch den Magneten magnetisierten Innenwandung (= magnetisiertes Element) des Fallgehäuses ab. Dabei wird es also an dem Gehäuse immobilisiert, sodass es von dem restlichen Pulver getrennt wird. Das Fallgehäuse kann beispielsweise als ein Fallrohr ausgebildet sein, an dessen äußeren Umfang der oder die Magnete angeordnet ist bzw. sind.
Als Magnet zur Erzeugung des Magnetfelds können Elektromagnete oder Permanentmagnete eingesetzte werden. Es können auch eine Mehrzahl von 2, 3, 4 oder mehr Magneten zum Einsatz kommen. Das Magnetfeld wird vorzugsweise von mindestens einem Elektromagneten erzeugt, der insbesondere bevorzugt eine Gehäusewand beispielsweise eines Speicherbehälters oder die Innenwandung des Fallgehäuses magnetisiert.
Vorteilhaft ist es, wenn in Schritt a) das Pulver der Trockenmasse, insbesondere die darin enthaltene magnetische, phosphorhaltige Verbindung, mit einer maximalen Korngröße von 100 µm bereitgestellt wird. Auf diese Weise sind die einzelnen magnetischen, phosphorhaltigen Partikel ausreichend klein und leicht, sodass sie von einem Magnetfeld leicht angezogen und bewegt werden können. Dabei können unvermeidbare größere Störstoffpartikel, etwa größere anorganische oder organische Klumpen oder Gebilde, wie Metalle, Steine, Holzstücke oder dergleichen, toleriert werden, da diese das magnetische Entfernen der Phosphorverbindung nicht beeinträchtigen.
In vorteilhaften Ausführungen umfasst das Bereitstellen der Trockenmasse in Form eines Pulvers in Schritt a) ein Mahlen der Trockenmasse, insbesondere zu der maximalen Korngröße von 100 µm. Das Mahlen ist insbesondere bei einer grobkörnigen Trockenmasse vorteilhaft.
Es sind beliebige Mahlverfahren einsetzbar.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung erfolgt das Mahlen der Trockenmasse mithilfe von in Bewegung versetzten Kugeln. Vorzugsweise werden die Kugeln mit der Trockenmasse oder einem Ausgangsstoff von dieser (insbesondere biogenem Reststoff) gemischt und darin in Bewegung gebracht, beispielsweise mittels eines Mischers.
Der Durchmesser der Kugeln liegt vorzugsweise zwischen 5 mm und 50 mm insbesondere vorzugsweise zwischen 15 mm und 30 mm.
Die Kugeln können aus einem beliebigen Material bestehen, wobei eine gewisse Wasseraufnahmefähigkeit in Form von Hygroskopie und/oder Kapillarität und Festigkeit bevorzugt ist. Die Kugeln bestehen vorzugsweise aus Holz und insbesondere aus Buchenholz. Alternativ können die Kugeln aus einem anderen Material bestehen, das ähnliche Eigenschaften wie Holz aufweist, insbesondere hinsichtlich Feuchtigkeitsregulierung und Festigkeit. Beispielsweise kommen Holzwerkstoff-Kunststoff-Komposite in Frage.
Durch die eingemischten und in Bewegung versetzten Kugeln kann die Trockenmasse gemahlen werden, sodass es keines mechanischen Mahlwerks bedarf. Jedoch kann alternativ oder zusätzlich auch ein mechanisches Mahlwerk (eine Mühle, beispielsweise Kegel- oder Scheibenmühle) zum Mahlen der Trockenmasse verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung erfolgt das Mahlen der Trockenmasse unter gleichzeitigem Trocknen der Trockenmasse. Im Falle des oben dargestellten Kugelmahlens sind daher Kugeln aus einem feuchtigkeitsaufnahmefähigen Material insbesondere aus Holz von Vorteil. Zum Zwecke der Trocknung kann ungesättigte Luft, insbesondere ungesättigte erwärmte Luft durch das Kugelbett geleitet werden.
Vorzugsweise weist das dem Separationsschritt b) zugeführte Pulver einen Trockenrückstandsgehalt von mindestens 90 Gew.-%, insbesondere von mindestens 95 Gew.-%, auf.
Die erfindungsgemäße Anlage zum Abtrennen einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung, insbesondere Eisenphosphat, aus einer Trockenmasse, insbesondere aus biogenen Reststoffen, umfasst:

eine Mahlvorrichtung (Zerkleinerungsvorrichtung) zum Mahlen der Trockenmasse zu einem Pulver, insbesondere mit einer maximalen Korngröße von 100 µm, und
eine Trennungseinrichtung (Magnetabscheider) umfassend zumindest einen Magneten zur Erzeugung eines Magnetfelds, wobei die Trennungseinrichtung ausgebildet ist, das Pulver mit dem Magnetfeld zu beaufschlagen, sodass das die magnetische, phosphorhaltige Verbindung durch das Magnetfeld angezogen und von dem (restlichen) Pulver separiert wird.

Die erfindungsgemäße Anlage ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet und eingerichtet.
Vorzugsweise weist die Trennungseinrichtung (Magnetabscheider) ein oben und unten offenes Fallgehäuse mit zumindest einer geschlossenen Umfangswandung auf, wobei der zumindest eine Magnet außerhalb der Umfangswandung angeordnet ist, sodass er ein im Innenraum des Fallgehäuses wirkendes Magnetfeld zu erzeugen vermag.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Trennungseinrichtung eine Verwirbelungseinrichtung zum Verwirbeln des Pulvers umfasst. Die Verwirbelungseinrichtung ist insbesondere ausgebildet oder angeordnet, das Pulver in dem Magnetfeld zu verwirbeln. Durch eine solche Verwirbelungseinrichtung wird die Anziehung der magnetischen Phosphorverbindung im Magnetfeld und ihre Abtrennung vom restlichen Trockenmassenpulver begünstigt.
Die Verwirbelungseinrichtung kann eine im oberen Drittel des Fallgehäuses angeordnete Prallplatte umfassen, auf die das hinabfallende Pulver rieselt und durch den Rückstoß aufgewirbelt wird.
Der Magnet kann ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet sein.
Als eine spezielle Form des Permanentmagneten kann ein Rohr-Magnet für Freifallanwendungen genutzt werden, wie er auch in der pharmazeutischen Industrie für die Separation schwach magnetisierter Partikel eingesetzt wird. Des Weiteren können ein Trommelmagnet, ein Überbandmagnet oder andere Magnetsysteme zur Abtrennung eingesetzt werden.
Die Anlage kann ferner einen Trichter umfassen, der der Zuführung des Pulvers zu der Trennungseinrichtung dient. Insbesondere kann der Trichter oberhalb des Fallgehäuses angeordnet sein.
Die Mahlvorrichtung umfasst in bevorzugter Ausführung einen mit Kugeln, insbesondere Holzkugeln, bestückten Mischer, wie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben. Eine solche Kugelmahlvorrichtung, die nicht nur zum Mahlen, sondern auch zur Erzeugung der Trockenmasse aus Reststoffen geeignet ist, sowie ein entsprechendes Verfahren sind weiter unter im Detail beschrieben.
Alternativ oder zusätzlich zu der Kugelmahlvorrichtung kann die Mahlvorrichtung eine mit einem mechanischen Mahlwerk, beispielsweise einem Kegelmahlwerk oder Scheibenmahlwerk, ausgestattete Zerkleinerungsvorrichtung zur Zerkleinerung der Trockenmasse aufweisen. Die Zerkleinerungsvorrichtung kann etwa oberhalb der Trennungseinrichtung, insbesondere oberhalb des Trichters angeordnet sein.
Die Anlage kann ferner einen Behälter (Speicher) zur Aufnahme des restlichen, von der magnetischen Phosphorverbindung separierten Pulvers aufweisen. Der Behälter kann unterhalb der Trennungseinrichtung, insbesondere unterhalb des Fallgehäuses angeordnet sein.
Kugelmahlvorrichtung und -verfahren
Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Trockenmasse mit Vorteil unter Anwendung eines mit Kugeln gefüllten Mischers (Reaktors, Bioreaktors) erhalten werden. Dies soll nachfolgend beschrieben werden.
Das Verfahren, das heißt das Bereitstellen der Trockenmasse in Form eines Pulvers gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst in dieser Ausführung folgende Schritte:

a1) Einfüllen biogener Reststoffe mit einem Flüssigkeitsanteil in einen Bioreaktor,
a2) Trocknen der Reststoffe zu einer Trockenmasse,
a3) Mahlen der Trockenmasse,
a4) Abführen der Trockenmasse.

Gemäß einer spezifischeren Beschreibung weist das Verfahren folgende Schritte aus:

a1) Einfüllen der einen Flüssigkeitsanteil aufweisenden Reststoffe in einen mit (vorzugsweise trockenen) Kugeln gefüllten und einen Mischer aufweisenden Bioreaktor und Mischen der Kugeln und der Reststoffe durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers während des Einfüllens und/oder nach dem Einfüllen, sodass sich Filme aus den Reststoffen auf den Oberflächen der Kugeln ausbilden,
a2) Trocknen der Filme von Reststoffen unter Ausbilden von Krusten aus Trockenmasse mit einem Restwassergehalt auf den Oberflächen der Kugeln durch Zuführen von warmer, ungesättigter Luft in den Bioreaktor, welche die Kugeln umströmt, unter zumindest zeitweisem Betreiben des Mischers,
a3) Mahlen und weiteres Trocknen der Trockenmasse durch zumindest zeitweises Betreiben des Mischers unter Abrieb pulverförmiger Trockenmasse von den Kugeln,
a4) Abführen der pulverförmigen Trockenmasse aus dem Bioreaktor.

Das Ergebnis des Verfahrens ist sehr trockene und sehr feinteilige pulverförmige Trockenmasse (vorliegend auch einfach als Pulver bezeichnet), die abhängig von dem Ausgangsmaterial (dem Reststoff) vielfältig genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß erlaubt das Verfahren, in dem Reststoff enthaltenen Phosphor zurückzugewinnen und insbesondere als Dünger zu nutzen. Hierzu wird die erhaltene Trockenmasse der erfindungsgemäßen Magnettrockenabscheidung unterzogen, um sie von dem restlichen Pulver abzutrennen.
Ferner kann das Pulver nach Abtrennung des Phosphors insbesondere als Ersatzbrennstoff für fossile Energieträger eingesetzt werden, insbesondere überall dort, wo derzeit ein Verbrennungsprozess unter Einsatz von fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohle, erfolgt. Ein Beispiel stellt die Zementindustrie beim Brennen von Klinkern dar. Auf diese Weise kann der fossile CO₂-Ausstoß wirksam reduziert werden.
Ferner kann die Trockenmasse nach Abtrennung des Phosphors insbesondere durch gezielte Mischung von chemisch instabiler Gülle oder Gärresten mit besonders trockenen biogenen Reststoffen, als (nährstoffreicher) Dünger in der Landwirtschaft in Form von Trockenmehl eingesetzt werden, wodurch die Nährstoffe des Reststoffs genutzt werden.
Schließlich kann das durch das Verfahren mit der gesättigten Luft aus dem Reaktor ausgetragene Wasser einer nachträglichen Nutzung, durch eine Aufbereitung als Nutz- oder Trinkwasser, zugeführt werden. Durch die Trocknung von Meerwasser werden damit simultan zwei Wertstoffe erzeugt: Salz als Trockenmasse und Wasser über die Separation des Wassers aus der gesättigten Abluft mit anschließender Aufbereitung zu Trink- oder Brauchwasser.
Durch das Verfahren können somit sämtliche der einleitend beschriebenen Potentiale des Reststoffs genutzt werden.
Während des Mahlens im Schritt a3) kann die Trockenmasse weiter getrocknet werden.
Die Kugeln können aus einem beliebigen Material bestehen, solange es eine ausreichende Wasseraufnahmefähigkeit in Form von Hygroskopie und/oder Kapillarität und Festigkeit aufweist. Die Kugeln bestehen bevorzugt aus Holz und insbesondere aus Buchenholz. Alternativ können die Kugeln aus einem anderen Material bestehen, das ähnliche Eigenschaften wie Holz aufweist, insbesondere hinsichtlich Feuchtigkeitsregulierung und Festigkeit. Beispielsweise kommen Holzwerkstoff-Kunststoff-Komposite in Frage.
Der Durchmesser der Kugeln liegt vorzugsweise zwischen 5 mm und 50 mm insbesondere vorzugsweise zwischen 15 mm und 30 mm.
Um einen zusätzlichen, schnellen Feuchtigkeitsentzug des sich an den Oberflächen ansiedelnden Reststofffilms (nachfolgend auch als Biofilm bezeichnet) durch Kapillarkräfte in die Kugeln zu erreichen, können diese vor dem Einfüllen bzw. Zuführen der Reststoffe getrocknet werden. Dies kann insbesondere durch Zuführen von warmer, ungesättigter Luft in den Reaktor erfolgen.
Während des Einfüllens der Reststoffe kann ein Mischvorgang durchgeführt werden. Bevorzugt wird mindestens ein Mischvorgang nach dem Einfüllen durchgeführt. Dadurch werden die Reststoffe mit den Kugeln mindestens einmal vollständig durchmischt.
Der Mischvorgang oder die Mischvorgänge dauern so lange an, bis sich gleichmäßige dünne Filme der Reststoffe auf den Oberflächen der Kugeln ausgebildet haben.
Um vergleichsweise trockene Reststoffe an den Oberflächen der Kugeln zu fixieren und die Filme auf den Oberflächen der Kugeln auszubilden, kann beim Einfüllen der Reststoffe zusätzlich Flüssigkeit auf die Oberflächen der Kugeln aufgebracht werden. Auf diese Weise werden die trockenen Reststoffe an- oder aufgeschlämmt und haften stabil an den Kugeloberflächen an. Das Einbringen von Flüssigkeit kann insbesondere durch Einsprühen der Flüssigkeit in Form eines Sprühnebels erfolgen. Die Flüssigkeit kann Wasser oder auch ein weiterer (biogener) Reststoff mit höherem Feuchtigkeitsgehalt sein. Damit können gleichzeitig zugeführte trockenere und feuchtere Reststoffe an den Oberflächen der Kugeln als dünne Biofilme fixiert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung werden als weitere (biogene) Reststoffe mit höheren Feuchtigkeitsgehalten Gülle oder Gärreste verwendet. Durch eine gezielte Mischung von chemisch instabiler Gülle oder Gärresten mit sehr trockenen, vorzugsweise biogenen Reststoffen, kann ein nährstoffreiches Düngergemisch mit dem hier vorgestellten Verfahren als Trockenmehl und damit als Trockenstabilat produziert werden.
Das Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise dann, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des eingesetzten Reststoffs eine untere Schwelle unterschreitet.
Die zugeführte Flüssigkeit kann mit einem Eisensalz angereichert werden, um freie Phosphate in dem Reststoff als Eisenphosphat zu fällen.
Für die Trocknung wird vorzugsweise warme, ungesättigte Luft vorzugsweise mit einer Temperatur bis 85°C in den Bioreaktor eingeleitet. Die Kugeln werden dann von der eingeleiteten Luft umströmt, wobei die an den Kugeloberflächen anhaftenden Filme Feuchtigkeit an die Luft abgeben. Die gesättigte Luft wird wieder aus dem Bioreaktor abgeleitet. Optional kann das in der gesättigten Luft enthaltene Wasser einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
Durch die Trocknung bilden sich Krusten an den Oberflächen der Kugeln aus, die aus Trockenmasse mit einem Restwassergehalt bestehen. Durch die Mischvorgänge werden die Krusten von den Oberflächen der Kugeln fein abgemahlen (abgerieben) und werden sich als Pulver (pulverförmige Trockenmasse) mit einem Restwassergehalt am Boden des Bioreaktors absetzen.
Vorzugsweise erfolgt während des Trocknens die Zufuhr von Luft über mehrere, in unterschiedlichen Höhen des Bioreaktors angeordnete Lufteinlässe, insbesondere einen im unteren Drittel des Bioreaktors angeordneten Lufteinlass, einen im mittleren Füllstandsbereich angeordneten Lufteinlass, einen oberhalb eines maximalen Füllstands angeordneten Lufteinlass und einen im Bodenbereich angeordneten Lufteinlass. Dabei kann bei beginnender Krustenbildung auf den Oberflächen der Kugeln die Luftzufuhr im unteren Bereich des Bioreaktors, insbesondere aus dem im unteren Drittel des Bioreaktors angeordneten Lufteinlass und dem im Bodenbereich angeordneten Lufteinlass, reduziert oder abgestellt werden. Hierdurch wird erreicht, dass die sich im Bodenbereich ansammelnde pulverförmige Trockenmasse nicht länger von der Luft durchströmt wird. Somit wird ein Aufwirbeln und Austragen des hochentzündlichen Pulvers mit der Abluft verhindert. Diese Maßnahme dient daher nicht nur dem Rückhalt des Pulvers in dem Reaktor, sondern auch als Explosionsschutz.
Das Pulver am Boden des Bioreaktors wird vorzugsweise indirekt getrocknet, wobei keine direkte Durchlüftung erfolgt. Die indirekte Trocknung kann über die Oberflächen der Kugeln erfolgen, die sich im Pulvergemisch im Bodenbereich des Bioreaktors befinden und vorzugsweise trockener sind als das sie umgebende Pulver.
Ohne das Pulver im Bodenbereich des Bioreaktors aufzuwirbeln, können während des Mahlens die über dem Pulver befindlichen Kugeln mit warmer Luft umströmt und dabei getrocknet werden. Hierzu erfolgt insbesondere die Luftzufuhr über den im mittleren Füllstandsbereich angeordneten Lufteinlass und den oberhalb des maximalen Füllstands angeordneten Lufteinlass, während keine Luftzufuhr über die anderen Lufteinlässe erfolgt.
Die Kugeln und das Pulver werden vorzugsweise intervallweise gemischt. Durch die Mischvorgänge wird das Pulver über die Reibung an den Oberflächen der Kugeln gemahlen.
Zur thermischen Hygienisierung der (biogenen) Reststoffe kann im Bioreaktor für einen Zeitraum von vorzugsweise 1 - 1,5 Stunden Wasserdampf mit einer Temperatur bis 85 °C eingestellt und - abhängig von den jeweiligen rechtsgültigen Vorgaben für die Hygienisierung - gehalten werden.
Ein Bioreaktor, der zur Durchführung des Verfahrens zum Bereitstellen der pulverförmigen Trockenmasse eingerichtet ist, weist folgende Merkmale auf:

- ein Gehäuse, mit zumindest einem Boden und einer vorzugsweise geschlossenen Umfangswandung,
- einen vorzugsweise am Boden um eine vertikale Achse drehbar gelagerten Mischer, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist,
- mindestens einen bezogen auf eine Höhe des Gehäuses oder auf einen maximalen Füllstand (H_Max) des Gehäuses im mittleren Bereich oder in der Mitte in der Umfangswandung des Gehäuses angeordneten Lufteinlass,
- mindestens einen Luftauslass,
- eine Füllung des Bioreaktors aus einer Vielzahl von Kugeln, mit einem Anfangsfüllstand (H_Start),
- mindestens eine Zuführleitung für Reststoffe, und
- mindestens eine Austragseinrichtung zur Abführung der getrockneten Reststoffe.

Ein weiterer Lufteinlass kann im Boden oder in der Umfangswandung angeordnet sein. Auch kann eine kumulative Anordnung im Boden und in der Umfangswandung vorgesehen sein.
In der Umfangswandung und auch im Boden können eine Mehrzahl von Lufteinlässen vorgesehen sein, um eine ausreichende Luftzufuhr zu gewährleisten. Insbesondere kann der Bioreaktor eine Mehrzahl von Lufteinlässen umfassen, insbesondere einen im unteren Drittel des Bioreaktors in der Umfangswandung angeordneten Lufteinlass, den im mittleren Füllstandsbereich in der Umfangswandung angeordneten Lufteinlass, einen oberhalb des maximalen Füllstands in der Umfangswandung oder einem Deckel angeordneten Lufteinlass und/oder einen im Boden angeordneten Lufteinlass.
Vorzugsweise kann das Gehäuse von einem Deckel abgedeckt sein. In diesem Fall erfolgt vorzugsweise die Zufuhr der Reststoffe und die Abfuhr von Luft durch den Deckel hindurch, indem entsprechende Öffnungen vorgesehen sind. Alternativ können die Luftabführung und die Zufuhr der Reststoffe auch durch die seitliche Umfangswandung oberhalb des maximalen Füllstandes erfolgen, indem entsprechende Öffnungen vorgesehen sind.
Unabhängig von der Ausgestaltung des Bioreaktors, mit oder ohne Deckel, kann die Zufuhr der Reststoffe auch alternativ in der seitlichen Umfangswandung unterhalb der Oberfläche des maximalen Füllstandes, vorzugsweise mit einer Schnecke, erfolgen. An sich ist es unerheblich, von wo bzw. an welcher Stelle die biogenen Reststoffe dem Bioreaktor zugeführt werden.
Der Mischer ist vorzugsweise eine Vertikalschnecke. Die Vertikalschnecke kann vorzugsweise konisch oder zylindrisch ausgebildet sein. An den Schneckenwindungen oder Schneckenflügeln (segmentierte Schnecke) können vorzugsweise zusätzlich noch mindestens ein Messer sowie eine Schürfleiste am Schneckenanfang angebracht sein. Der Mischer ist vorzugsweise am Boden des Gehäuses gelagert.
Das Gehäuse ist vorzugsweise zylindrisch oder konisch ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Gehäuse thermisch isoliert, um Energieverluste zu vermeiden und ggfs. die Temperatur im Bioreaktor während des Trocknungsprozesses konstant halten zu können.
Die Abfuhr der Abluft aus einem geschlossenen Bioreaktor kann durch Innendruck oder durch Anlegen eines Unterdrucks erfolgen.
Nachfolgend werden die einzelnen Verfahrensstufen genauer erläutert.
(a1) Einfüllen von Reststoffen mit einem Flüssigkeitsanteil
Ziel des ersten Verfahrensschrittes ist die gleichmäßige Verteilung der zugeführten (biogenen) Reststoffe auf den Oberflächen der Kugeln in Form dünner Filme mit einer Schichtdicke von vorzugsweise wenigen Millimetern.
Hierzu werden die Reststoffe dem Bioreaktor vorzugsweise oberhalb des Kugelbetts zugeführt.
Die Kugeln bestehen bevorzugt aus Holz, insbesondere aus Buchenholz. Alternativ können auch andere feuchtigkeitsregulierende Stoffe, die eine hinreichende Festigkeit an den Oberflächen aufweisen, verwendet werden. Der Durchmesser der Kugeln kann vorzugsweise zwischen 5 und 50 mm betragen. Pro Kubikmeter genutztes Volumen des Bioreaktors werden beispielsweise rund 73.000 Kugeln mit einem mittleren Durchmesser von 25 mm verwendet. Die Summe der Kugeloberflächen je Kubikmeter ergibt sich damit zu 144 m² (Quadratmetern).
Aus geometrischer Sicht für die Durchführung des Verfahrens vorzugsweise kugelförmige Körper verwendet. Alternativ können auch vorzugsweise rund oder oval geformte Körper Einsatz finden.
Die Zuführung der Reststoffe erfolgt vorzugsweise während der Mischer zumindest zeitweise betrieben wird, um einen Mischvorgang der Kugeln und Reststoffe zu bewirken. Der Mischvorgang sollte vorzugsweise mehrere Minuten andauern, damit sich ein gleichmäßiger Film auf allen Kugeln ausbilden kann. Der Mischvorgang erfolgt im Bioreaktor vorzugsweise durch eine Vertikalschnecke.
Die zugeführten Reststoffe können unterschiedliche Stoffeigenschaften und Partikelgrößen aufweisen. So kann eine zugeführte Mischung gleichzeitig aus flüssigen, nassen, feuchten, klebrigen, festen, krümeligen und pulverigen Fraktionen bestehen. Die Größe der zugeführten Feststoff-Partikel können ebenfalls in einem Bereich von 1 µm in einer Suspension bis hin zu mehreren Zentimetern als Feststoff-Klumpen schwanken.
Wenn Reststoffe mit trockenen Fraktionen, die einen Wassergehalt < 70 % aufweisen, zugeführt werden, wird vorzugsweise Wasser in den Bioreaktor eingefüllt, um die trockenen Fraktionen an- oder aufzuschlämmen. Dies kann vorzugsweise durch einen Sprühnebel oberhalb der Kugeln und während des Mischvorganges erfolgen.
Eine weitere Besonderheit der zugeführten insbesondere biogenen Reststoffe besteht in dem enthaltenem Phosphor. Da der Phosphor separiert werden soll, wobei ein Brennstoff, der um Phosphor abgereichert wurde, erhalten wird, ist die Verfügbarkeit des Phosphors in Form der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung (siehe oben) in den Reststoffen erforderlich, die die erfindungsgemäße magnetische Stoffabtrennung ermöglicht.
Für den Fall, dass der in dem (biogenen) Reststoff enthaltene Phosphor in Form einer nicht magnetischen Verbindung oder in gelöster Form vorliegt, kann dem Bioreaktor ein geeignetes magnetisches Reagenz insbesondere in wässriger Lösung, beispielsweise eine Eisensalzlösung, zugeführt werden. Die Zuführung erfolgt vorzugsweise in Form eines Sprühnebels oberhalb der Kugeln während des Mischvorgangs während der Zuführung von Reststoffen. Die zugeführte wässrige Lösung wird durch den Mischvorgang gleichmäßig in die Filme eingemischt und führt dann, in Gegenwart von in den wässrigen Filmen gelöstem Phosphor, in wenigen Minuten zur Entstehung und Fällung einer entsprechenden magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung, beispielsweise von Eisenphosphat. Dieses kann von der erzeugten pulverförmigen Trockenmasse magnetisch separiert und einer anschließenden Aufbereitung zugeführt werden.
Eine weitere Differenzierung hinsichtlich der zugeführten biogenen Reststoffe ist der Grad der chemischen Instabilität des organischen Anteils. Dieser leicht abbaubare Anteil an organischen Stoffen, bestehend aus energiereichen komplexen organischen Fett- und Eiweißmolekülen, sollte vorzugsweise schnell in eine stabile Form überführt werden, um die chemisch gebundene Energie zu erhalten und Gerüche zu minimieren.
Eine Form der Stabilisierung ist die Überführung in den Zustand eines Trockenstabilats. Durch das fehlende Wasser wird für die zumeist heterotrophen Bakterien, die einen Abbau der organischen Bestandteile sehr schnell beginnen, der Transport von Nährstoffen unterbunden und damit der biologische Abbau der leicht abbaubaren organischen Stoffe wirksam gestoppt.
Daher werden die Kugeln vor der Befüllung vorzugsweise getrocknet. Wenn der nasse Film auf den Oberflächen der Kugeln verteilt wird, wird über die Grenzflächen der Kugeln Wasser aus dem nasseren Film über kapillare Anziehungskräfte von außen nach innen in die trockeneren Zellhohlräume der Kugeln als freies Wasser gezogen. Durch den Feuchtigkeitsentzug nach innen wird der Film getrocknet und durch die damit einhergehende Trockenstarre stabilisiert.
Grundsätzlich ermöglicht die hygroskopische Eigenschaft der Kugeln eine Anpassung der Feuchtigkeit an die äußeren herrschenden Bedingungen. Die damit verbundene Fähigkeit zur Speicherung von Feuchtigkeit ermöglicht den Eintrag von sehr wässrigen Suspensionen in den Bioreaktor, deren Wassergehalt bis zur Sättigungsgrenze der Kugeln aufgesogen werden kann.
Als Ergebnis dieses Verfahrensschrittes sind alle Kugeln, die sich in dem Bioreaktor befinden, mit einem dünnen Film bedeckt.
(a2) Trocknen der Reststoffe zu einer Trockenmasse
Die Trocknung der biogenen Reststoffe, die in Form nasser Filme auf den Kugeln vorliegen, erfolgt durch Zufuhr warmer ungesättigter Luft, vorzugsweise mit einer Temperatur oberhalb von Raumtemperatur bis 85 °C. Die Luft wird vorzugsweise an mehreren Stellen, die auf unterschiedlichen Höhen des Bioreaktors angeordnet sind, zugeführt. Dabei erfolgt die Luftzufuhr bevorzugt vom Boden des Reaktors, von seiner Umfangswandung und zwar im Bereich der Kugeln auf Höhe der Pulveransammlung und im Bereich der Kugeln oberhalb der Pulveransammlung, sowie oberhalb des Kugelbetts.
Die wässrigen Oberflächen der Filme trocknen in dieser Phase vorwiegend, indem sie Wasser in die sie umströmende ungesättigte warme Luft abgeben und damit Wasser über die gesättigte Abluft aus dem Bioreaktor ausgetragen wird.
Die bevorzugte mechanische Durchmischung der Kugeln führt dabei zu einer Vergrößerung der nassen Oberflächen, indem die nassen Filme Feuchtigkeit auf trockenere Filme übertragen und nach der Mischung wieder zu homogenen nassen Biofilmen ausgebildet werden.
Wenn keine frischen Reststoffe zugeführt werden, trocknen die nassen Filme aus und es entsteht Trockenmasse in Form trockener Krusten (Trockenmasse mit Restfeuchtigkeit) an den Oberflächen der Holzkugeln.
Die trockenen Krusten sollten vorzugsweise den Durchmesser der Kugeln um 5 % bis zu 10 % vergrößern. Damit erhöht sich das genutzte Volumen im Reaktor um bis zu 33 %. Die Fülldichte der Kugelmatrix beträgt rund 60 %, so dass ein Luftvolumen von rund 40 % verbleibt.
Bei einsetzender Krustenbildung bzw. beim Übergang der feuchten Filme zu oberflächlich trockenen Krusten, spätestens aber nach vollständiger Krustenbildung wird die Luftzufuhr in den unteren Bereich des Reaktors reduziert oder unterbrochen, sodass die Luftzufuhr im Wesentlichen nur noch im Bereich der Kugeln oberhalb der sich nun im unteren Reaktorbereich ansammelnden pulverförmigen Trockenmasse erfolgt.
(a3) Mahlen und Trocknen der Trockenmasse
Die an den Oberflächen der Holzkugeln anhaftende Trockenmasse wird durch Mischvorgänge als Rieselstoff durch Reibung abgerieben bzw. abgemahlen. Die Rieselstoffe setzen sich zum größten Teil am Boden des Bioreaktors ab.
Die Mischvorgänge führen bei fortschreitender Verfügbarkeit freier Rieselstoffe zu einer Zermahlung der Rieselstoffe zu mikrofeinem Pulver. Die Partikelgröße beträgt im Ergebnis weniger als 100 µm und bevorzugt weniger als 60 µm. Einzelne Partikel werden bis in den einstelligen µm-Bereich zermahlen.
Mit Übergang von der nassen Phase in die trockene Pulverphase wird die Trockenmasse weiter getrocknet. Jedoch ändert sich die Art der Trocknung. Das Pulver wird nicht mehr direkt über die Luft, sondern indirekt über die kapillaren Saugkräfte an den trockenen Grenzflächen der Kugeln getrocknet. Das Wasser im Pulver wird daher über die Grenzflächen der Kugeln durch kapillare Anziehungskräfte von außen nach innen in die Zellhohlräume der Kugeln transportiert und dort gebunden.
Hierzu wird der nicht von Pulver umhüllte Teil der Kugeln, die sich oberhalb der am Boden abgesetzten Pulverschicht befinden, weiterhin durch den warmen und ungesättigten Luftstrom getrocknet. Durch einen anschließenden Mischvorgang werden sehr trockene Kugeln aus dem oberen Bereich in das Pulver im unteren Bereich des Bioreaktors gemischt. Zudem werden die Kugeln, die sich im Pulver befinden und die sich zuvor mit Wasser aus dem Pulver angereichert haben, aus dem Pulver in den oberen Teil des Bioreaktors und damit oberhalb der Pulverschicht in die dort befindlichen Kugeln gemischt.
Durch die weitergehende Trocknung wird dem Pulver Wasser entzogen, was dann die weitere Zermahlung des Pulvers ermöglicht, weil das als Bindemittel fungierende Wasser zunehmend entzogen wird. Der finale Trockenrückstandsgehalt des Pulvers sollte vorzugsweise zwischen 90 Gew.-% und 98 Gew.-% liegen, d.h. einen Feuchtigkeitsanteil von höchstens 10 Gew.-% bis zu 2 Gew.% aufweisen.
Der Mahlprozess wird vorzugsweise solange durchgeführt, bis die Kugeln im Wesentlichen frei von Trockenmasse sind, d.h. weitestgehend von den Krusten befreit sind.
Dann wird die Luftzufuhr vollständig unterbrochen und das Betreiben des Mischers eingestellt. Der Luftaustrag erfolgt weiter auf reduziertem Niveau, um einen kontinuierlichen Unterdruck zu erhalten.
(a4) Abführen der Trockenmasse
Das Pulver kann vorzugsweise pneumatisch durch Saugluft mit Hilfe von Zyklonen aus dem Reaktor getragen werden. Schwerere Störstoffe lassen sich im Luftstrom durch den Prozess der Windsichtung leicht abtrennen.
Alternativ kann das Pulver über eine Austragseinrichtung umfassend seitliche Öffnungen oder Öffnungen im Bodenbereich des Reaktors ausgetragen werden. Vorzugsweise kann vor den Öffnungen eine Siebeinrichtung, insbesondere ein Lochblech oder ein Gitter oder Stäbe, angeordnet sein, um zumindest die Kugeln und optional gröbere Bestandteile der Trockenmasse zurückzuhalten. Vor der Siebeinrichtung auf der Innenseite des Gehäuses kann ferner eine Vorrichtung zur wahlweisen Öffnung und Schließung der Austragseinrichtung angeordnet sein.
Die aus dem Reaktor ausgetragene Trockenmasse wird nun dem erfindungsgemäßen Prozess zur Separation der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung und ggfs. weiteren Prozessen zur Qualitätssicherung unterzogen. Es kann aber auch anderweitig erzeugte Trockenmasse dem Prozess der Phosphorseparation zugeführt werden.
Um eine Abtrennung der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung, beispielsweise Eisenphosphat, aus dem hygroskopischen Schüttgut in Pulverform zu ermöglichen, erfolgt vorzugsweise der Zerkleinerung der Trockenmasse auf eine maximale Größe von 100 µm bei gleichzeitig hohem Trockenrückstandsgehalt von mehr als 90 % bis zu 98 %. Die magnetische, phosphorhaltige Verbindung liegt insbesondere in Partikelgrößen von 5 µm bis 50 µm vor. Diese beiden Parameter, Partikelgröße und Trockenrückstandsgehalt, sind vorteilhaft, um eine freifließende Rieselfähigkeit zu erreichen und eine Verklumpung im Pulver zu vermeiden. Bei der Einstellung der Parameter gibt es fließende Übergänge und demzufolge graduelle Unterschiede hinsichtlich des Abscheidegrades in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke. Zudem hat eine Verklumpung direkte Auswirkungen auf den Reinheitsgrad der separierten magnetischen Partikel, da mit zunehmender Verklumpung Fremdstoffe anhaften.
Anhand von Zeichnungen soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für das erweiterte Verfahren unter Verwendung biogener Reststoffe mit einem Flüssigkeitsanteil als Ausgangsstoffe näher erläutert werden. Es zeigen:

0 eine schematische Darstellung eines nicht gefüllten Bioreaktors als eine Mahlvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
1 eine schematische Darstellung des Bioreaktors aus 0 mit eingefüllten Kugeln, die an der Oberfläche sauber (unbenetzt) sind, mit einer Füllhöhe H_Start;
2 eine schematische Darstellung des Bioreaktors aus 0 mit eingefüllten Kugeln, die an der Oberfläche Biofilme ausgebildet haben, mit einer maximalen Füllhöhe H_Nass;
3 eine schematische Darstellung des Bioreaktors aus 0 mit eingefüllten Kugeln, die an der Oberfläche Krusten ausgebildet haben, mit einer mittleren Füllhöhe H_Trocken;
4 eine schematische Darstellung des Bioreaktors aus 0 mit eingefüllten Kugeln, die an der Oberfläche wieder sauber sind, und mit sich am Boden des Behälters abgesetztem Pulver, mit einer minimalen Füllhöhe H_Pulver;
5 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Abtrennung einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung, insbesondere von Eisenphosphat, in einem Zustand mit erregten Magneten; und
6 eine schematische Darstellung der Anlage aus 5 mit deaktivierten Magneten.

Der in den 0 bis 4 gezeigte Bioreaktor stellt ein Beispiel für eine im Rahmen der Erfindung vorteilhaft einsetzbare Mahlvorrichtung zum Bereitstellen einer pulverförmigen Trockenmasse dar. Die Figuren zeigen unterschiedliche Prozessstufen des Bereitstellens der Trockenmasse.
Der Bioreaktor 0 ist ein Thermotrockner, der in dem in 0 gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem nach oben offenen Gehäuse 1 besteht, das konisch ausgebildet ist und im Wesentlichen aus einer geschlossenen Umfangswandung 1.2 und einem Boden 1.1 besteht.
In der schematischen Darstellung ist nicht gezeigt, dass das Gehäuse 1 des Bioreaktors 0 thermisch isoliert sein kann, um Energieverluste zu vermeiden.
Im Boden 1.1 ist um die vertikale Achse A eine vorzugsweise konische Schnecke 2 drehbar angetrieben gelagert. Die Schnecke 2 weist mindestens eine Windung 2.1 auf. Die Schnecke 2 ist hier verkürzt dargestellt. Vorzugsweise reicht ihre axiale Länge bis an die maximale Füllhöhe H_max, um eine möglichst schnelle und rasche Durchmischung zu ermöglichen.
Im Boden 1.1 und in der Umfangswandung 1.2 sind Zuleitungen 6, 6.1, 6.2 und 6.3 für Umgebungsluft vorgesehen, die in das Innere des Bioreaktors 0 geleitet wird, was zur Trocknung der biogenen Reststoffe 4 dient. Bezogen auf die maximale Füllhöhe H_max des Gehäuses 1 liegt die Zuleitung 6 im unteren Drittel, die Zuleitung 6.1 in der Mitte und eine weitere Zuleitung 6.2 oberhalb des Kugelbetts (s. 1). Die Zuleitung 6.3 befindet sich im Boden 1.1. Die Umgebungsluft kann vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 20 °Celsius bis zu 85 °Celsius angewärmt werden.
Bevor der Betrieb zur Trocknung biogener Reststoffe beginnen kann, wird eine Vielzahl von Kugeln, hier Holzkugeln 3, die vorzugsweise aus Buchenholz mit einem Durchmesser von vorzugsweise 5 - 50 mm als Schüttgut vorliegen, über die in 0 gezeigte obere Öffnung in den Bioreaktor 0 bis zu einer Füllhöhe von H_Start in den Bioreaktor 0 eingefüllt.
Sobald die Holzkugeln 3 in den Bioreaktor 0 eingefüllt sind, kann der Bioreaktor 0 mit einem Deckel 1.3 verschlossen werden, was in 1 dargestellt wird.
Der in 1 dargestellte Bioreaktor 0 entspricht in seinem Aufbau dem Bioreaktor 0 nach 0, das Gehäuse 1 ist nun jedoch von einem Deckel 1.3 verschlossen und der Bioreaktor 0 ist mit Holzkugeln 3 gefüllt. Durch den Deckel 1.3 führen die Zuleitungen für biogene Reststoffe 4 und Wasser 5 und die Abführleitung für die Abluft 7.
Bevor biogene Reststoffe 4 in den Bioreaktor 0 eingefüllt werden, werden die Holzkugeln 3 vorzugsweise getrocknet, um damit ein hohes Potenzial in den Holzkugeln 3 zur Aufnahme von Feuchtigkeit zu schaffen.
Vorzugsweise über alle Zuleitungen 6, 6.1, 6.2 und 6.3 wird warme Umgebungsluft zugeführt, um in den Bioreaktor 0 Wärme zur Trocknung einzutragen. Die Zuführung warmer Luft über die Zuleitung 6.3 dient als Leckluft zum Austrag der gesättigten Luft aus dem unteren Teil des Bioreaktors 0, die zuvor die Kugelmatrix durchströmt hat. Die Abluft erfolgt über die Abführleitung 7 im Deckel 1.3. Durch die Luftströme wird vorzugsweise ein leichter Unterdruck im Bioreaktor 0 eingestellt. Die Be- und Entlüftung erfolgen vorzugsweise kontinuierlich. Die spezifische Ausgestaltung der Luftzuführung hinsichtlich der Dauer, des Volumenstroms und der Temperatur mit Bezug auf die einzelnen Luftzuleitungen 6, 6.1, 6.2 und 6.3 erfolgt variabel mit dem Ziel, optimale Bedingungen für den Trocknungsprozesses zu erhalten.
Danach wird die vertikal angeordnete Schnecke 2 drehend in Betrieb genommen und vorzugsweise zeitgleich die biogenen Reststoffe 4 über die Zuleitung im Deckel 1.3 zugeführt. Der Mischprozess führt zur Durchmischung der eingefüllten biogenen Reststoffe 4 mit den Holzkugeln 3 und dauert vorzugsweise mehrere Minuten. Der Mischprozess endet mit weitgehend homogen ausgebildeten Biofilmen an den Oberflächen der Holzkugeln 3.
Für den Fall, dass die zugeführten biogenen Reststoffe 4 zu trocken sind, und eine Ausbildung von Biofilmen somit gehemmt wird und daher nicht ausreichend erfolgt, wird vorzugsweise Wasser 5 in den Bioreaktor 0 über eine Zuleitung im Deckel 1.3 während des Mischprozesses zugeführt. Damit werden die trockenen Fraktionen der biogenen Reststoffe 4 an- und aufgeschlämmt. Die mit Wasser 5 angereicherten biogenen Reststoffe 4 bilden dann sukzessive Biofilme an den Oberflächen der Holzkugeln 3 während des Mischvorgangs aus.
Wenn in den zugeführten biogenen Reststoffen noch Phosphor in Form gelöster Phosphate oder dergleichen oder in Form nicht magnetischer Verbindungen verfügbar ist und nach dem Trocknungsprozess abgetrennt werden soll, erfolgt eine Zumischung von einem geeigneten magnetischen Reagenz, das den Phosphor in eine magnetische Verbindung überführt. Beispielsweise wird während des Mischprozesses ein Eisensalz in das Wasser 5 gegeben, so dass damit gelöste Phosphate in den nassen Biofilmen spontan als Eisenphosphat gefällt werden.
Der in 2 dargestellte Bioreaktor 0 zeigt den Zustand nach erfolgreicher Ausbildung von Biofilmen auf den Oberflächen der Holzkugeln 3. Durch die Biofilme steigt der Füllstand im Bioreaktor 0 auf H_Nass.
Im weiteren Prozess wird der nasse Biofilm getrocknet. Wie zuvor beschrieben, erfolgt die Trocknung durch Zuführung warmer Luft in die Kugelmatrix über die Oberflächen der Biofilme vorzugsweise kontinuierlich über alle Luftzuleitungen 6, 6.1, 6.2 und 6.3. Die mit Wasserdampf gesättigte Luft wird über die Abluftleitung 7 im Deckel 1.3 abgeführt.
Der Betrieb der Schnecke 2 erfolgt vorzugsweise in Intervallen. Hierzu wird die Schnecke 2 jeweils vorzugsweise rund 30 - 60 Minuten stillgesetzt und danach vorzugsweise jeweils 10 - 30 Sekunden drehend in Betrieb genommen. Durch den mechanischen Reibungsprozess werden die Biofilme auf den Oberflächen der Holzkugeln 3 homogenisiert, so dass die Feuchtigkeit der Biofilme auf allen Kugeloberflächen weitgehend gleichmäßig verteilt und somit die wirksame Fläche zur Verdunstung optimiert wird.
Ziel des Trocknungsprozesses ist die Ausbildung von festen, trockenen Krusten 4.1 aus Feststoffen an den Oberflächen der Holzkugeln 3. Die Krusten sollten dabei den Durchmesser der Holzkugeln 3 vorzugsweise im Bereich von 5 % bis zu 10 % vergrößern. Dieser Richtwert ermöglicht die Kalkulation der vorzugsweise zuzuführenden Feststoffmasse und damit auch der Frischmasse an biogenen Reststoffen.
Die Zuführung der biogenen Reststoffe erfolgt vorzugsweise in mehreren Teilportionen. Hierbei erfolgt die Zuführung jeder weiteren Teilportion biogener Reststoffe 4 vorzugsweise nach erfolgter Teil-Trocknung der Biofilme auf den Holzkugeln 3, die sich durch die Zuführung biogener Reststoffe 4 gebildet haben.
Wenn die Zuführung biogener Reststoffe 4 abgeschlossen ist, erfolgt die Trocknung der Biofilme, so dass sich feste, trockene Krusten an den Oberflächen der Holzkugeln 3 ausbilden.
3 zeigt den Bioreaktor 0, gefüllt mit Holzkugeln 3, auf denen sich feste, trockene Krusten 4.1 ausgebildet haben. Der Füllstand ist leicht abgesunken und ergibt sich zu H_Trocken .
Für den weiteren Trocknungsprozess werden nun die Bodenbelüftung 6.3 und die untere seitliche Belüftung 6 abgestellt, um eine Aufwirbelung von zunehmend abgesetztem Pulver 4.2 im Bodenbereich des Bioreaktors 0 zu vermeiden. Die Belüftung erfolgt durch die Kugelmatrix vorzugsweise kontinuierlich mit zugeführter warmer Luft über die Luftleitung 6.1.
Zusätzlich wird vorzugsweise Leckluft über die Zuluftleitung 6.2 zugeführt und die Abluft über die Abluftleitung 7 kontinuierlich abgeführt.
Der Betrieb der Schnecke 2 erfolgt weiterhin vorzugsweise in Intervallen. Hierzu wird die Schnecke 2 jeweils vorzugsweise rund 30 - 60 Minuten stillgesetzt und danach vorzugsweise jeweils 10 - 30 Sekunden drehend in Betrieb genommen. Durch den mechanischen Reibungsprozess werden die trockenen Krusten 4.1 auf den Oberflächen der Holzkugeln 3 durch Reibung sukzessive abgetragen. Größtenteils erfolgt der Abrieb direkt in Form von groben und feinen Pulverpartikeln 4.2, die sich weitestgehend im Bodenbereich des Bioreaktors absetzen. Die bereits im Bioreaktor befindlichen groben und teilweise feinen Pulverpartikel 4.2 werden durch Reibung zwischen den Oberflächen der Holzkugeln 3 zu feinem Pulver gemahlen, das eine Korngröße unter 100 µm aufweist.
Der Trennungsprozess der Pulverpartikel wird zusätzlich zum Mahlprozess durch die Trocknung des Pulvers unterstützt. Da die zunächst trockenen Partikel ihre geringe Restfeuchte verlieren und somit pulvertrocken werden, wird eine sukzessive Trennung von Partikeln ermöglicht, die zuvor durch Wasser adhäsiv verbunden wurden.
Der Prozess der Pulvertrocknung erfolgt indirekt über die Oberflächen der Holzkugeln 3 durch kapillare Saugkräfte, die geringe Feuchtigkeitsunterschiede zwischen den Pulverpartikeln und den Oberflächen der Holzkugeln 3 ausgleichen.
Wenn Holzkugeln 3, die zuvor im oberen Bereich des Bioreaktors 0 getrocknet wurden, durch den intervallweise durchgeführten Mischprozess in den im Bodenbereich 1.1 des Bioreaktors 0 befindlichen Pulver 4.2 gelangen, erfolgt eine indirekte Trocknung der Pulverpartikel 4.2 durch kapillare Saugkräfte zum Ausgleich der Feuchtigkeitsunterschiede an den Grenzflächen der trockeneren Oberflächen der Holzkugeln 3 und den feuchteren Oberflächen der Pulverpartikel 4.2.
Wenn Holzkugeln 3, die zuvor im Pulver 4.2 Feuchtigkeit aufgenommen haben, in den oberen Bereich des Bioreaktors 0 gelangen, erfolgt die direkte Trocknung der Holzkugeln 3 durch die warme Luft.
Durch den intervallweisen Mischprozess werden trockenere und feuchtere Kugeln 3 zwischen dem oberen Bereich des Bioreaktors 0 und dem Pulver 4.2 intervallweise ausgetauscht. Dies ermöglich eine Trocknung des Pulvers 4.2 bis zu 98 Gew.-% Trockenrückstandsgehalt und damit einem Wassergehalt von rund 2 Gew.-%.
4 zeigt den Bioreaktor 0 gefüllt mit Holzkugeln 3, deren Oberflächen von Feststoffen befreit sind, und Pulver 4.2 am Boden 1.1 des Bioreaktors. Die Füllhöhe ist leicht auf einen Füllstand H_Pulver abgesunken.
Das Pulver 4.2 kann nun über die Austragvorrichtung 8 abgezogen werden. Grundsätzlich kann der Austrag des Pulvers 4.2 auf beliebige Weise erfolgen.
Zusätzlich zum feinen Pulver mit einem Durchmesser < 100 µm entsteht oftmals auch ein Anteil von bis zu rund 15 % des Gesamtgewichts an größeren Partikeln. Dies ist Trockenmasse in Form von sphärischen Partikeln oder sonstigen Formen, die als rieselfähige Stoffe ebenfalls über die Austragseinheit 8 ausgetragen werden. Die Größe der ausgetragenen Feststoffpartikel ist abhängig von der gewählten Austragsvorrichtung und kann von 1 mm bis hin zu mehreren Zentimetern betragen. Somit liegt das Pulver 4.2 der Trockenmasse 4.1 häufig als eine heterogene Mischung aus Partikeln mit kleinen Durchmessern und gröberen Bestandteilen mit einem Durchmesser ≥ 100 µm vor.
Vorteilhafterweise wird daher die pulverförmige Trockenmasse 4.2 inklusive der gröberen Bestandteile pneumatisch durch Saugluft ausgetragen und dann die gröberen Bestandteile mit Hilfe von Zyklonen vom Luftstrom getrennt. Zur Trennung der zwei Fraktionen kann im Luftstrom ein Prallblech zur Windsichtung verwendet werden.
Vorzugsweise ist vor der Austragsöffnung, in der Umfangswandung 1.2 des Bioreaktors 0, ein perforiertes Lochblech als Sieb vorgesehen. Damit lässt sich die maximale Größe der aus dem Behälter ausgetragenen Partikel festlegen und so die Holzkugeln 3 zurückhalten. Das perforierte Lochblech wird vorzugsweise von der Innenseite der Umfangswandung 1.2 des Bioreaktors 0 durch eine Abdeckung vor den umlaufenden Kugeln geschützt. Werden die Löcher nicht verdeckt, werden die Löcher durch die zugeführten biogenen Reststoffe mit einem Flüssigkeitsanteil zugesetzt und härten dann aus. Eine Öffnung ist dann nur noch mechanisch mit einem Bohrer oder einem Meißel möglich. Diese Vorgehensweise gilt analog auch für andere Austragseinrichtungen, die somit vorzugsweise durch eine Abdeckung zum Innenraum des Bioreaktors geschützt werden müssen.
Der vorstehend beschriebene Reaktor 0 kann Teil der erfindungsgemäßen Anlage zum Abtrennen der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung 4.3 aus der Trockenmasse 4.1. sein und verkörpert die Mahlvorrichtung zum Mahlen der Trockenmasse 4.1 zu einem Pulver 4.2. Die so in dem Reaktor 0 erhaltene Trockenmasse 4.1 in Form eines Pulvers 4.2 wird anschließend einer Trennungseinrichtung zur magnetischen Abtrennung der magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung zugeführt. Diese Trennungseinrichtung wird in den folgenden 5 und 6 beispielhaft beschrieben.
5 zeigt einen solchen Separator zur Abtrennung magnetischer Partikel, insbesondere Eisenphosphat. Der Separator umfasst eine optionale Zerkleinerungseinheit 20, einen Trichter 21, ein Fallgehäuse (Fallrohr) 22 mit einer gewinkelten Prallplatte 23 und einer Magneteinrichtung 24 sowie einen Speicherbehälter 26, die in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet sein können.
Dem Separator werden die aus dem Reaktor 0 erhaltene Trockenmasse 4.1 in Form von Pulver 4.2, das auch die magnetische, phosphorhaltige Verbindung 4.3 enthält, zugeführt. Insbesondere wird das Pulver 4.2 in die optionale Zerkleinerungseinheit 20 zum homogenen mechanischen Zermahlen zu Pulver 4.2. Dies ist sinnvoll, wenn zuvor die gröberen Trockenmasse-Partikel mit einem Durchmesser ≥ 100 µm nicht von dem Pulver 4.2 abgetrennt wurden oder wenn die Trockenmasse 4.1 aus einem anderen Prozess als dem Bioreaktor 0 bezogen wird, in dem keine ausreichend geringe Partikelgröße erhalten wurde. Die Zerkleinerungseinheit 20 kann ein mechanisches Mahlwerk, beispielsweise eine Kegelmahlwerk oder ein Scheibenmahlwerk oder dergleichen aufweisen.
Nach dem Zermahlen in der Zerkleinerungseinheit 20 fällt die gesamte Masse, die nun weitestgehend homogen als feines Pulver 4.2 vorliegt, durch den darunter befindlichen Trichter 21 und danach im freien Fall in das Fallrohr 22 und trifft dort auf die gewinkelte Prallplatte 23. Durch den Aufprall auf die Prallplatte 23 wird das Pulver 4.2 zu einer Pulverwolke verwirbelt und fällt dann weiter im freien Fall entlang der innenliegenden Fallrohwand. In der Mitte des Fallrohrs 22 ist von außen die Magneteinrichtung 24, vorzugsweise in Form von Elektromagneten angeordnet. Die Elektromagnete erzeugen bei entsprechender Bestromung ein Magnetfeld 25, das in dem Innenbereich des Fallrohrs wirkt. Durch das wirksame Magnetfeld 25 werden magnetische Metallverbindungen des Phosphors 4.3, beispielsweise Eisenphosphat, an die Fallrohrwand von innen magnetisch angezogen und somit aus dem nicht-magnetischen restlichen Pulver 4.2 entfernt. Das von magnetischen Metallverbindungen 4.3 befreite Pulver 4.2 fällt weiter im freien Fall in den unterhalb des Fallrohrs 22 befindlichen Speicherbehälter 26 und setzt sich dort im Bodenbereich ab.
Eine alternative Prozessführung kann darin bestehen, dass die aus dem Bioreaktor 0 ausgetragenen Stoffe, separat behandelt werden. Die groben Trockenmasse-Partikel mit einem Durchmesser ≥ 100 µm können mit der Zerkleinerungseinheit 20 zermahlen und dann in der Trennungseinrichtung 40 magnetisch vom Eisenphosphat getrennt werden. Der feine Anteil aus Pulver 4.2 mit einem Durchmesser < 100 µm kann direkt der Trennungseinrichtung 40 zugeführt und magnetisch vom Eisenphosphat getrennt werden.
Es versteht sich, dass bei einer ausreichend kleiner Partikelgröße der Trockenmasse auf einen (zusätzlichen) Zerkleinerungsvorgang bzw. die Zerkleinerungseinheit 20 verzichtet werden kann.
6 zeigt den Separator wie zuvor in 5 beschrieben, jedoch ist der Speicherbehälter 26 zur Seite gestellt worden und der Speicherbehälter 27 befindet sich nun zur Aufnahme der abgetrennten magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung (beispielsweise Eisenphosphat-Partikel) 4.3 unter dem Fallrohr 22. Des Weiteren ist der das Magnetfeld 25 erzeugende Elektromagnet 24 abgeschaltet worden, so dass die magnetischen Metallverbindungen 4.3 im freien Fall in den Speicherbehälter 27 fallen und sich dort im Bodenbereich absetzen. Somit werden die magnetische, phosphorhaltige Verbindung (beispielsweise Eisenphosphat-Partikel) 4.3 und die restliche Trockenmasse 4.1 getrennt voneinander in den Speicherbehältern 27 bzw. 26 erhalten und aufgefangen.
Bezugszeichenliste

0: Mahlvorrichtung / Bioreaktor
1: Gehäuse
1.1: Boden
1.2: Umfangswandung
1.3: Deckel
2: Mischer / Schnecke
2.1: Flügel
3: Holzkugel
4: Biogener Reststoff
4.1: Trockenmasse
4.2: pulverförmige Trockenmasse / Pulver
4.3: magnetische, phosphorhaltige Verbindung / Eisenphosphat-Partikel
5: Wassereinlass / Zuleitung / Zuführleitung
6: Lufteinlass / Zuleitung / Zuführleitung
6.1: Lufteinlass / Zuleitung / Zuführleitung
6.2: Lufteinlass / Zuleitung / Zuführleitung
6.3: Lufteinlass / Zuleitung / Zuführleitung
7: Abführleitung / Abluft
8: Austragseinrichtung
10: Oberfläche
20: Mahlvorrichtung / Gehäuse mit Zerkleinerungseinheit
21: Konischer Trichter
22: Fallgehäuse / Fallrohr mit konischen Endstücken
23: Gewinkelte Prallplatte zum Vernebeln
24: Magnet / Elektromagnet
25: Magnetfeld
26: Speicherbehälter
27: Speicherbehälter
30.1: Gehäusewand
A: Achse
HMax: Füllhöhe
HStart: Füllhöhe
HNass: Füllhöhe
HTrocken: Füllhöhe
HPulver: Füllhöhe

Claims

Verfahren zum Abtrennen einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung (4.3), insbesondere Eisenphosphat, aus einer Trockenmasse (4.1), insbesondere aus biogenen Reststoffen, durch Trockenmagnetscheidung mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen der Trockenmasse (4.1) in Form eines Pulvers (4.2) und b) Beaufschlagen des Pulvers (4.2) mit einem Magnetfeld (25), sodass die magnetische, phosphorhaltige Verbindung (4.3) durch das Magnetfeld (25) angezogen und von dem Pulver (4.2) separiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich in Schritt b) die von dem Pulver (4.2) separierte magnetische, phosphorhaltige Verbindung (4.3) auf einem das Magnetfeld (25) erzeugenden Magneten (24) oder einem durch den Magneten (24) magnetisierten Element absetzt.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend: c) Abschalten des Magnetfelds (25), sodass die auf dem Magneten (24) oder dem magnetisierten Element abgesetzte magnetische, phosphorhaltige Verbindung (4.3) freigesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beaufschlagen des Pulvers (4.2) mit dem Magnetfeld (25) erfolgt, indem das Pulver (4.2) durch das Magnetfeld (25) bewegt wird oder sich schwerkraftgeführt durch das Magnetfeld (25) bewegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei sich das Pulver (4.2) schwerkraftgeführt durch ein Fallgehäuse bewegt und sich an einer von außen durch den Magneten (24) magnetisierten Innenwandung des Fallgehäuses absetzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Pulver (4.2) eine maximale Korngröße von 100 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bereitstellen der Trockenmasse (4.1) in Form eines Pulvers (4.2) ein Mahlen der Trockenmasse (4.1) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Mahlen der Trockenmasse (4.1) mithilfe von in Bewegung versetzten Kugeln (3), insbesondere Holzkugeln, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Mahlen der Trockenmasse (4.1.) unter gleichzeitigem Trocknen der Trockenmasse (4.1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Pulver (4.2) einen Trockenrückstandsgehalt von mindestens 90 Gew.-% aufweist.
Anlage zum Abtrennen einer magnetischen, phosphorhaltigen Verbindung (4.3), insbesondere Eisenphosphat, aus einer Trockenmasse (4.1), insbesondere aus biogenen Reststoffen, umfassend eine Mahlvorrichtung (0, 20) zum Mahlen der Trockenmasse (4.1) zu einem Pulver (4.2), eine Trennungseinrichtung (40), umfassend zumindest einen Magneten (24) zur Erzeugung eines Magnetfelds (25), wobei die Trennungseinrichtung (40) ausgebildet ist, das Pulver (4.2) mit dem Magnetfeld zu beaufschlagen, sodass das die magnetische, phosphorhaltige Verbindung (4.3) durch das Magnetfeld angezogen und von dem Pulver (4.2) separiert wird.
Anlage nach Anspruch 11, wobei die Mahlvorrichtung (0, 20) einen mit Kugeln (3), insbesondere Holzkugeln, bestückten Mischer umfasst.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Trennungseinrichtung (40) ein oben und unten offenes Fallgehäuse (22) mit zumindest einer geschlossenen Umfangswandung aufweist, wobei der Magnet (24) außerhalb der Umfangswandung angeordnet ist, sodass er ein im Innenraum des Fallgehäuses (22) wirkendes Magnetfeld (25) zu erzeugen vermag.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Trennungseinrichtung (40) eine Verwirbelungseinrichtung (23) zum Verwirbeln des Pulvers (4.2) umfasst, die insbesondere ausgebildet ist, das Pulver (4.2) in dem Magnetfeld (25) zu verwirbeln.
Anlage nach einem den Ansprüche 11 bis 14, wobei der Magnet (24) ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet ist.