DE10210985B4

DE10210985B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von organische Abfälle enthaltenden Stoffen

Info

Publication number: DE10210985B4
Application number: DE2002110985
Authority: DE
Inventors: Dirk Kassen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: DE10210985A1

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von organische Abfälle enthaltenden Stoffen (2), wobei die Stoffe zumindest einen Fermenter (4) und eine Feststofftrenneinrichtung (5) durchlaufen und nachfolgend eine Erwärmung der zu behandelnden Stoffe durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der bei der Erwärmung in die Gasphase übergehenden Stickstoff enthaltenden Anteile dem Stoffgemisch wieder zugeführt wird, wobei das einlaufende Stoffgemisch von CO₂ befreit und der Stickstoff enthaltende Anteil im in dem Stoffgemisch belassen wird und nach Durchlaufen des Verfahrens das verbleibende flüssige Stoffgemisch als Stickstoff enthaltender Pflanzendünger (18) abgefüllt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Stoffen nachdem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Es ist bekannt, für die Aufbereitung von flüssigen Stoffen, die organische Abfälle enthalten, einen Biogasreaktor zu benutzen, der eine anaerobe Fermentierung nutzt und mit einem Feststoffabscheider, beispielsweise einer Ultrafiltrationsanlage, in Austauschverbindung steht.

Die WO 99/42423 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem dem aus der Feststofftrennvorrichtung herausgeförderten Stoffgemisch im weiteren Schritt Kohlenstoff und Stickstoff dadurch entzogen werden, daß das Stoffgemisch erwärmt wird und somit gelöste Nitrationen und gelöste Hydrogenkarbonationen als NH₃ und CO₂ in die Gasphase übergehen.

Das verbleibende Stoffgemisch, das nach diesem sogenannten Stripping im wesentlichen von NH₃ und CO₂ befreit ist, wird einer Umkehrosmose unterzogen, um dadurch klares Wasser zu haben, das unmittelbar in einen Vorfluter eingeleitet werden kann, und um weiterhin einen Düngergrundstoff zu erhalten, der Mineralstoffe, etwa Phosphor und Kalium; enthält.

Dabei stellt sich das Problem, daß die Umkehrosmose nur dann reines Wasser liefert, wenn der Mineralstoffgehalt in dem verbleibenden Stoffgemisch sehr gering ist. Dann ist jedoch in dem Düngergrundstoff, der der Umkehrosmoseanlage zu entnehmen ist, der Mineraliengehalt zu gering, um den Düngergrundstoff so in den Handel bringen zu können. Er muß also weiterhin als organischer Sekundärrohstoff auf den Feldern ausgebracht werden, was eine große Fläche – je nach Konzentration beispielsweise 1000 ha Ausbringfläche für 25 cbm Sekundärrohstoff gemäß geltenden Vorschriften – erfordert bzw. lange Transportwege, um damit den Düngergrundstoff solchen Betrieben zuzuführen, die über hinreichend große Flächen verfügen. Andererseits kann, wenn der Mineralstoffgehalt hinreichend hoch ist, um einen verkaufsfähigen Dünger zu erhalten, kein reines Wasser erhalten werden, sondern das aus der Umkehrosmose stammende Wasser muß einer zusätzlichen Nachreinigung unterzogen werden oder auch als Sekundärrohstoff ausgebracht werden, was ebenfalls die Kosten erheblich erhöht.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kostenoptimierung bei der Aufbereitung von organische Abfälle enthaltenden Stoffen zu erreichen.

Die Erfindung löst dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 12 sowie 14 bis 19.

Mit der Rückführung von Stickstoff in die zu behandelnden Stoffe können diese einen Nitratdünger bilden, der einen hinreichend hohen Nährstoffgehalt hat, um unmittelbar als verkaufsfähiges Produkt in den Handel zu gelangen, wodurch zusätzliche Transportkosten vermieden werden. Der erhaltene Flüssigdünger kann direkt ohne Nachbehandlung in den Handel verbracht werden.

Besonders vorteilhaft kann in einer Eindampfeinrichtung eine Einstellung des Mine-ralstoffgehalts derart vorgenommen werden, daß ein Teil des in dem flüssigen Stoffgemisch enthaltenen Wassers verdampft wird und dadurch in dem verbleibenden Gemisch der Mineralstoffgehalt steigt. Das verdampfte Wasser kann gleichzeitig je nach Belastung entweder in einer Umkehrosmosevorrichtung aufbereitet werden oder direkt in den Vorfluter eingeleitet werden.

Eine weitere besondere Kostenreduzierung ergibt sich dann, wenn der Prozeß insgesamt energieautark durchgeführt wird, d. h., daß als Energielieferant ausschließlich das im Fermenter entstehende Biogas benutzt wird. Dies ist beispielsweise möglich, wenn für das CO₂-Stripping eine niedrige Temperatur von etwa 85°C bis 95°C genutzt wird und gegebenenfalls eine Druckabsenkung mittels einer mechanischen, relativ energiearm einzusetzenden Pumpe durchgeführt wird.

Mit der zusätzlich oder alternativ durchführbaren Vorvergärung über einen Vorreaktor können auch solche Stoffe, die einen hohen Feststoffanteil enthalten, beispielsweise auch unsortierte Abfälle, Grünschnitt oder dergleichen, kostengünstig in der Vorrichtung verwertet werden, ohne daß es einer gesonderten Vorbehandlung der Stoffe bedarf. Somit sind zusätzlich Kostensenkungen insbesondere bei der Entsorgung von gemischt angelieferten Stoffen möglich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus einem nachfolgend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung.
In der Zeichnung zeigt:
1 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Gesamtansicht,
2 einen Ausschnitt einer Vorrichtung mit einer vorgeschalteten Vorvergärungseinheit, die einen Vorreaktor und eine Ausscheidevorrichtung für Feststoffe umfaßt.
Die insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung, die verschiedene Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens umfaßt, dient zur Verarbeitung von Reststoffen, die biologisches Material enthalten. Diese Reststoffe 2 können beispielsweise flüssige Abfallstoffe, wie etwa Gülle, sein. Auch Abfallstoffe mit flüssigen Anteilen kommen in Frage, etwa Klärschlämme. Ebenso kann auch eine zunächst trockene Masse, etwa Pflanzenschnittmaterial oder Inhalte von Biotonnen, zugeführt werden. In einem ersten Verfahrensschritt werden die Reststoffe 2 einer Aufbereitungseinrichtung 3 zugeführt, wo eine Zerkleinerung von festen und/oder Faserbestandteilen der aufzubereitenden Stoffe durchgeführt wird. Gegebenenfalls wird in der Aufbereitungseinrichtung auch dem Stoffgemisch Flüssigkeit zugeführt, um insgesamt eine anaerobe Fermentierung in dem als Biogasreaktor wirkenden Fermenter 4, in den das Stoffgemisch nachfolgend eingeleitet wird, zu ermöglichen. Der Fermenter 4 steht – hier angedeutet durch die Pfeile 6 und 7 – in Austauschverbindung mit einer Feststofftrennanlage 5, beispielsweise einer mit Dekantierung und/oder Zentrifugalkraft arbeitenden Einrichtung, in der Feststoffpartikel aus dem Stoffgemisch weitgehend entfernt werden. Beispielsweise kommt als Feststofftrennanlage 5 eine Ultrafiltrationseinrichtung in Betracht. Auch andere Feststofftrennanlagen sind möglich.
Der Fermenter 4 ist zusätzlich mit einem Auslaß 8 für die abgesetzten Sedimente versehen sowie mit einer Gasabführungseinrichtung 9, mit der das angefallene Faulgas einer energetischen Verwertung zugeführt wird. Diese kann sowohl eine Beheizung der CO₂-Trennanlage 10 als auch eine Beheizung der Eindampfanlage 12 als auch eine Abgabe von elektrischer Energie oder Wärmeenergie 13 nach außen bewirken.
Nach Durchlaufen der Fermentierung und der Feststofftrennung geht das Stoffgemisch in die CO₂-Trennanlage 10 über, die beispielsweise aus einer oder mehreren Kolonnen bestehen kann. Darin wird das Stoffgemisch erwärmt, im Ausführungsbeispiel auf etwa 85°C bis 95°C, wobei zusätzlich der Raum in der CO₂-Trennanlage 10 einem Unterdruck ausgesetzt sein kann, um somit den Siedepunkt des Stoffgemisches zu erniedrigen. Somit ergibt sich ein verminderter Energiebedarf zur Verdampfung von in dem Stoffgemisch enthaltenen Kohlendioxid und Ammoniak. Das Stoffgemisch wird von oben in die Kolonne eingeleitet, wobei gleichzeitig von unten heißer Dampf aufsteigt. Dadurch wird das Stoffgemisch erhitzt, und ein großer Teil der in der Flüssigkeit gelösten Hydrogenkarbonationen (HCO₃ ^–) sowie ein großer Teil der gelösten Nitrationen (NH₄ ⁺) geht in die Gasphase über, wofür die folgenden Reaktionsgleichungen gelten: H⁺ + NCO₃ ^–↔ H₂CO₃ ↔ H₂O + CO₂ NH₄ ⁺ ↔ NH₃ + N⁺
Aufgrund der relativ niedrigen Temperatur wird mehr CO₂ als NH₃ aus dem Stoffgemisch gelöst. Im oberen Kopfteil der Kolonne(n) wird das aufsteigende Gasge misch mit der Ausgangsflüssigkeit vermischt, woraus ein Wiederlösen von NH₃ und eines kleinen Teils des CO₂ resultiert. Auf diese Weise werden etwa 85% des CO₂-Gehalts aus der flüssigen Phase entfernt, wohingegen die stickstoffenthaltenden Teile fast vollständig in der flüssigen Phase verbleiben. Ausgangs der CO₂-Trennanlage 10 hat das Stoffgemisch einen Mineralstoffanteil von wertigen Prozent, typisch etwa 2%.
Der CO₂-Trennanlage 10 ist eine Einrichtung 11 zur pH-Justierung nachgeschaltet, bei der durch Zugabe von beispielweise Natronlauge oder Schwefelsäure der pH-Wert so eingestellt wird, daß in der nachfolgenden Eindampfungseinrichtung 12 ein Vergasen von NH₃ weitgehend vermieden wird und dieses zu einem Großteil in der flüssigen Phase zurückbleibt. Hierfür eignet sich beispielsweise ein pH-Wert von ungefähr 4.
Bei der nachfolgenden Eindampfung 12, die ebenfalls durch Energie der im Fermenter 4 entstehenden Biogase unterhalten wird, wird einerseits ein Teil des Stoffgemisches verdampft, um dieses nachfolgend als sogenanntes Brüdenkondensat entweder entsprechend dem Pfeil 14 unmittelbar in den Brauchwasservorfluter 15 zu überführen oder um zunächst eine Umkehrosmose in der Einrichtung 16 durchzuführen und anschließend das so gereinigte Wasser entsprechend dem Pfeil 17 in dem Vorfluter einzuleiten. Die Eindampfeinrichtung 12 wird ebenfalls bei vermindertem Druck als Niedertemperatureindampfung durchgeführt, wofür eine Temperatur von etwa 65°C bis 95°C ausreicht. Auch dieses ist energetisch günstig.
Der bei der Eindampfung verbleibende flüssige Bestandteil wird als flüssiger Pflanzendünger 18 aus der Eindampfungsanlage 12 herausgeleitet. Durch die Rückführung der stickstoffenthaltenden Anteile ist der Mineralanteil hinreichend hoch – typisch etwa 20% -, um unmittelbar einen handelsüblichen Pflanzendünger abfüllen zu können und somit ein verkaufsfähiges Produkt zu erhalten, das den gängigen gesetzlichen Normen genügt. Das Produkt kann daher wirtschaftlich lohnend eingesetzt werden. Im Unterschied zu bisherigem Verfahren, bei dem nur ein erneut zu entsorgendes Produkt entstand, ist damit die Wirtschaftlichkeit erheblich verbessert.
Dadurch, daß als Abwasser das eingedampfte Brüdenkondensat anfällt, das nur minimale Anteile von Mineralstoffen, etwa Phosphor, Kalium und Stickstoff, enthält, fällt zudem keine Entsorgungsproblematik für das Wasser an.
Durch das Eindampfen wird der Mineralstoffanteil in dem Stoffgemisch gesteigert, typischerweise in der genannten Größenordnung von etwa 2% vor der Eindampfanlage bis auf etwa 20% am Ausgang der Eindampfanlage 12. Somit findet eine Aufkonzentrierung statt, und die aufkonzentrierten, nicht flüchtigen Bestandteile der wässrigen Lösung, die die Eindampfung 12 in flüssiger Form verlassen, enthalten eine hinreichende Konzentration, um unmittelbar als Pflanzendünger verfügbar zu sein.
Die in 2 dargestellte Einrichtung zur Vorvergärung umfaßt einen Vorreaktor 19, von dem aus der Stoffstrom in die Aussprtierungseinrichtung 20 für Feststoffe geleitet wird und anschließend in den Fermenter 4 eingebracht wird. Der Vorreaktor 19 mit der Feststoffaussortiereinheit 20 ist somit im Schema nach 1 zwischen der Aufbereitung 3 und dem Fermenter 4 anzuordnen.
Damit können beliebige organische Reststoffe in die anaerobe Fermentierung geleitet werden.
In der Aufbereitung 3 werden die einlaufenden Stoffströme 2 einer mechanischen Vorbehandlung unterzogen und in den Vorreaktor 19 eingeleitet. Hier findet eine Vorvergärung statt, die entweder als Naßvergärung oder als Trockenvergärung ausgeführt wird. Bei der Naßvergärung beträgt der Feststoffanteil weniger als etwa 15%, so daß eine homogene Suspension entsteht, die gut pumpfähig ist und mit Flüssigkeitspumpen transportabel ist. Bei der Trockenvergärung liegt eine inhomogene oder homogene Suspension mit einem Feststoffanteil von bis zu etwa 30% vor, für deren Transport spezielle Fördereinrichtungen wie Feststoffpumpen oder Förderschnecken erforderlich sind.
Bei kontinuierlicher Beschickung des Vorreaktors 19 durch die Aufbereitung 3 wird der sogenannte Gärrest aus dem Vorreaktor 19 kontinuierlich entnommen und der Aussortierungseinrichtung 20 zugeführt. Diese umfaßt eine Abpreßeinrichtung, mit der grobe Bestandteile abgetrennt werden. Dieses können beispielsweise organische Bestandteile sein, die nur unter erheblichem Aufwand anaerob umgewandelt werden können, und um Störstoffe wie etwa Kunststoffe, die aus dem Stoffstrom entfernt werden müssen. Die aus der Abpreßeinrichtung herausgeführten Stoffe 23 können in der Regel als Kompost mit einem Feststoffgehalt von mehr als 25 % unmittelbar als handelsfähiges Gut verkauft werden.
Die in dem flüssigen Preßwasser verbleibenden organischen Stoffe werden dem Fermenter 4 zum weiteren anaeroben Abbau zugeführt. Hierbei wird durch die Abpreßeinrichtung sichergestellt, daß die weitergeleitefe Flüssigkeit nicht mehr als 8 % Feststoffanteil enthält. Um dies zu erreichen, findet eine Vorverdünnung derart statt, daß aus dem Fermenter 4 eine oder mehrere Rückleitungen 21 eine Rückführung in den Vorreaktor 19 und/oder in die Aussortierungseinrichtung 20 ermöglichen. Durch dieses Rückimpfen wird die Stabilität der Prozeßführung verbessert. Ca. 15 % bis 50 % von der in den Fermenter 4 eingeleiteten Stoffmenge werden über die Leitung 21 zum Vorreaktor 19 oder zur Auspreßeinrichtung geführt. Das im Vorreaktor 19 entstehende Gas wird mit dem im Fermenter 4 entstehenden Gas zusammengeführt, so daß beide 25 gemeinsam einer energetischen Verwertung zugeführt werden können.
Stark sedimentierende Stoffe (z. B. Glas, Metall, Sand usw.) werden als Sediment 24 dem Vorreaktor 19 entzogen.
Auch bei schwermetallhaltigen Ausgangstoffe (z. B. Klärschlamm) bietet die Vorvergärung den Vorteil, daß die Schwermetalle über den Kompost oder über Sedimente ausgeschieden werden und der weitere Aufbereitungsablauf nach der Feststofftrennanlage 5 unbelastete Stoffe enthält, die als handelsfähiger Dünger unmittelbar verkauft werden können, wie dies oben beschrieben wurde. Dieses ist dadurch verursacht, daß die Schwermetalle sich zum größten Teil an Feststoffen haftend anlagern und dadurch abgeführt werden können, während die für die Düngemittelherstellung wichtigen Mineralstoffeim Stoffstrom verbleiben und somit dem Verfahren weiter zur Verfügung stehen.

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von organische Abfälle enthaltenden Stoffen (2), wobei die Stoffe zumindest einen Fermenter (4) und eine Feststofftrenneinrichtung (5) durchlaufen und nachfolgend eine Erwärmung der zu behandelnden Stoffe durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der bei der Erwärmung in die Gasphase übergehenden Stickstoff enthaltenden Anteile dem Stoffgemisch wieder zugeführt wird, wobei das einlaufende Stoffgemisch von CO₂ befreit und der Stickstoff enthaltende Anteil im in dem Stoffgemisch belassen wird und nach Durchlaufen des Verfahrens das verbleibende flüssige Stoffgemisch als Stickstoff enthaltender Pflanzendünger (18) abgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Stickstoff enthaltenden Anteils über eine Ammoniaklösung in das insgesamt eine Flüssigkeit bildende Stoffgemisch vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Stickstoff enthaltenden Anteils innerhalb einer Kolonnenanordnung (10), in der Flüssigkeit von unten mit erwärmtem Gas beaufschlagt wird, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erwärmung auf eine Temperatur von 85°C bis 95°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erwärmen der Stoffe in der CO₂-Trennanlage im Prozeß entstehende Abwärme genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß hierfür im Fermenter (4) entstehendes Biogas (9) genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die CO₂-Trennung energieautark durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erwärmung eine pH-Justierung (11) und ein Eindampfen des Stoffgemisches erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der pH-Justierung (11) der pH-Wert des Stoffgemisches abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Eindamp-fungseinrichtung (12) der Trockensubstanzgehalt des Stoffgemisches vergrößert wird und eine Konzentration von Mineralstoffen eingestellt wird, die einen direkten Einsatz der verbleibenden Flüssigphase als Pflanzendünger (18) ermöglicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindampfungseinrichtung (12) durch Biogas (9) aus dem Fermenter (4) betrieben wird und das Verfahren insgesamt energieautark durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Eindampfungseinrichturig (12) frei werdende Gase kondensiert und einer Umkehrosmose zu ihrer Reinigung zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren kontinuierlich betrieben wird.
Vorrichtung (1) zur Behandlung von organische Abfälle enthaltenden Stoffen, wobei die Vorrichtung (1) zumindest einen Fermenter (4) und eine Feststofftrenneinrichtung (5) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) eine CO₂- Trenneinrichtung (10) mit einer Kolonnenanordnung, in der Flüssigkeit von unten mit erwärmtem Gas beaufschlagt wird, und eine der CO₂-Trenneinrichtung (10) nachgeschaltete Eindampfungseinrichtung (12) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindampfungseinrichtung (12) eine Abfüllanlage für flüssigen Pflanzendünger (18) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen dem Fermenter (4) vorgeschalteten Vorreaktor (19) aufweist, in den Flüssiganteil aus dem Fermenter (4) rückleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwischen dem Vorreaktor (19) und dem Fermenter (4) eine Aussortierungseinrichtung (20) für grobe Feststoffanteile aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeich- net, daß die Vorrichtung zumindest eine Leitung (21) zur Flüssigkeitsrückführung aus dem Fermenter (4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussortierungseinrichtung (20) für grobe Feststoffanteile eine Abpreßeinrichtung umfaßt, die aussortierte Feststoffe zu einem Kompostrohstoff verpreßt.