DE10316680A1

DE10316680A1 - Biogasanlage

Info

Publication number: DE10316680A1
Application number: DE10316680A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Bindler; Christoph Dipl.-Ing. Zapp
Original assignee: UBITEC GmbH
Current assignee: UBITEC GmbH
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: DE10316680B4

Abstract

In einem Verfahren zum Erzeugen von Biogas durch Vergären von Biomasse im Wege einer Nassfermentation wird zunächst ein Vorgärreaktor mit Nährlösung beschickt und eine unbehandelte Biomasse solange in den Vorgärreaktor eingespeist, bis darin ein pH-Wert von 4,3 bis 4,8 eingestellt ist und dieser pH-Bereich auch nach weiterer Zugabe von Biomasse und Nährlösung konstant bleibt, somit eine Vorgärung der Biomasse durchgeführt und anschließend vorgegärte Biomasse aus dem Vorgärreaktor in einer solchen Menge dem Hauptreaktor zugeführt, dass man den pH-Wert in einem Bereich von 6,7 bis 7,7 konstant hält, und ausgefaultes Material des Hauptreaktors als Nährlösung in den Vorgärreaktor rückgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Biogas durch Vergären von Biomasse im Wege einer Nassfermentation und eine Biogasanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Biogas oder Deponiegas bezeichnet das beim anaeroben Abbau von organischen Stoffen und von anaeroben Abläufen durch Methan-Gärung gebildete, brennbare Gasgemisch. Diese besteht in der Regel aus etwa 50 bis 70% Methan, 30 bis 45% Kohlendioxid, bis zu 0,1% Schwefelwasserstoff, bis 5% Wasserstoff und Spuren von Kohlenmonoxid, Stickstoff und Sauerstoff. Etwa 5% der von Grünpflanzen jährlich synthetisierten Biomasse wird durch Methan-Gärung zu Biogas abgebaut, wobei 500 bis 800 Mio. Tonnen Methan in die Atmosphäre gelangen. Das aus biogenen Quellen stammende Methan trägt als klimawirksames Spurengas schätzungsweise zu 20% zum sogenannten atmosphärischen Treibhauseffekt bei. Auch in technischen Prozessen entsteht Biogas als Nebenprodukt unter anderem bei der anaeroben Abwasserbehandlung sowie bei der Stabilisierung von Klärschlamm und Biomüll. Aus Gründen des Umweltschutzes wird Biogas aus Mülldeponien (Deponiegas) neuerdings erfasst und in Blockheizkraftwerken verwertet.

Es ist also wünschenswert, Biogas nicht in die Atmosphäre gelangen zu lassen, sondern dieses zur Energiegewinnung zu nutzen.

Die Erzeugung von Biogas aus Biomasse kann in vier Stufen unterteilt werden, nämlich die Hydrolyse, Vergärung/Säurebildung, Acetogenese und Methanogenese.

In der sogenannten Hydrolysestufe werden die Makromoleküle als Hauptbestandteil der Biomasse durch extrazelluläre Enzyme von fakultativ und extraobligaten anaeroben Mikroorganismen in ihre niedermolekularen Bestandteile zerlegt. Dabei entstehen in der Regel einfache monomere oder dimere Verbindungen. Geschwindigkeitsbestimmend wird die Hydrolyse bei einem vermehrten Anteil an Cellulose und Lignin, da diese Biopolymere schwer auf spaltbar sind.

In der Stufe der Vergärung/Säurebildung werden die bei der Hydrolyse gebildeten Mono- und Dimere wie Carbonsäuren, beispielsweise Acetat, Propionat und Butyrat von den bereits für die Hydrolyse verantwortlichen Mikroorganismen aufgenommen und weiter abgebaut. Als Produkte werden beispielsweise Milchsäure und Alkohol sowie kleinere Mengen an Kohlendioxid und Wasserstoff erhalten.

Die nächste Stufe, die Acetogenese ist der thermodynamisch schwierigste Schritt des Abbaus der Biomasse. Die ablaufenden Reaktionen führen zur Umwandlung von in der Vergärung gebildeten Säuren und Alkoholen zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid.

Schließlich werden in der vierten Stufe der Methanogenese, Essigsäure und Kohlendioxid mit molekularem Wasserstoff zu Methan umgesetzt.

Wenn diese Reaktionen auch grundsätzlich bekannt sind, so ist es wünschenswert, die soeben genannten Reaktionsstufen möglichst quantitativ durchzuführen und die Ausbeute an Methan zu erhöhen. Die DE 197 17 965 A1 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Biogas ausgehend von sogenannten biogenen Abfällen, in dem Hydrolyse und Säurebildung einerseits und Acetogenese und Methanbildung andererseits in getrennten Reaktoren ablaufen und in dem ausgefaulte Biomasse aus der Methanbildung dem Vorgärreaktor als Basisfermentationsbrühe zugeführt wird. Die Steuerung dieses Verfahren erfolgt durch Ermittlung der Kohlendioxidwerte. Nachteilig an einer solchen Steuerung des Verfahrens ist, daß man keinen zeitnahen Status des Verfahrens ermitteln kann. Zwischen der Probenentnahme und dem Zeitpunkt des Erhaltens eines Meßwerts vergeht zuviel Zeit. In diesem Zeitraum kann der Methanreaktor beispielsweise schon umgekippt sein, weil zuviel nicht umgesetzte Biomasse aus dem Vorgäreaktor in den Hauptreaktor überführt worden ist. Die Methanerzeugung kommt zum Erliegen und der Reaktor muß neu angefahren werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren derart zu steuern, dass eine optimale Ausbeute an Methan dauern gewährleistet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen von Biogas durch Vergären von Biomasse im Wege einer Nassfermentation, wobei man zunächst einen Vorgärreaktor mit Nährlösung beschickt und eine unbehandelte Biomasse solange in den Vorgärreaktor einspeist bis darin ein pH-Wert von 4,3 bis 4,8 eingestellt ist und dieser pH-Bereich auch nach weiterer Zugabe von Biomasse und Nährlösung konstant bleibt, somit eine Vorgärung durchführt und anschließend vorgegärte Biomasse aus dem Vorgärreaktor in einer solchen Menge dem Hauptreaktor zuführt, dass man den pH-Wert in einem Bereich von 6,7 bis 7,7 konstant hält und ausgefaultes Material des Hauptreaktors als Nährlösung dem Vorgärreaktor zuführt. Dem Vorgärreaktor kann ständig neue Biomasse zugeführt werden. Ein Teil des Produkts des Vorgärreaktors wird in den Hauptreaktor eingespeist und ein mengenmäßig etwa entsprechender Teil des Hauptreaktors in den Vorgärreaktor zurückgeführt. Beide Reaktoren werden somit im Kreislauf geführt. Steuerungsgröße für die Substratströme in den Vorgärreaktor und zwischen den beiden Reaktoren ist der pH-Wert in den Reaktoren, der ständig elektronisch erfaßt wird. Die Steuerung der Anlage mit dem pH-Wert als Regelgröße erlaubt Informationen über den jeweils aktuellen Status der Fermentation. Sie erlaubt ferner die Anpassung der Fermentation oder Fermentationsdauer an verschiedene Substrate. Werden dem Vorgärreaktor beispielsweise schwerer zu vergärende Biomassen zugeführt wie Lignine, würde der pH-Wert im Vorgärreaktor grundsätzlich langsamer ansteigen und sich die Fermentationsdauer verlängern. Durch die Erfassung des langsamer steigenden pH-Werts kann erfindungsgemäß hingegen die Temperatur im Vorgärreaktor erhöht und damit die Umsetzung beschleunigt werden, so dass letztendlich trotz schwerer zu vergärenden Substraten, die Verweildauer im Vorgärreaktor nicht länger ist als bei anderen Substraten.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Biogasanlage zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Biomasse jeglicher Herkunft und Zusammensetzung mit Ausnahme solcher Hemm- oder Störstoffe, die sich negativ auf die Reaktorbiologie auswirken können. Der Begriff Biomasse im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt somit organische Stoffe wie Mist, Grünpflanzen, Klärschlamm, organische Abfälle der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie und Biomüll.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um eine sogenannte mesophile Nassfermentation. Mesophil bedeutet, dass die methanbildenden Mikroorganismen Biogas bei Temperaturen bis zu 50°C produzieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Nassfermentation, weil der Gärungsprozess in einem wässrigen Milieu durchgeführt wird.

Bevor die Biomasse in den ersten Reaktor, den Vorgärreaktor, eingebracht wird, kann diese mit einer Zerkleinerungseinrichtung behandelt werden. Der Einsatz von zerkleinertem Material ist vorteilhaft, weil durch die Oberflächenvergrößerung der Biomasse die Vergärung beschleunigt wird.

Die Biomasse kann im Gemisch mit einer sogenannten Nährlösung oder Kreislauflösung oder getrennt von dieser in den Vorgärreaktor eingeleitet werden. Die Nährlösung kann im Falle des Anfahrens der Anlage ein sogenanntes Startsubstrat sein, das die zur Durchführung der Vorgärung erforderlichen Mikroorganismen und Substrate umfaßt. Eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Nährlösung (Startsubstrat) ist beispielsweise Gülle, vorzugsweise entgaster Gülle. Unter Kreislauflösung wird hingegen ein ausgefaultes Substrat verstanden, welches dem Hauptreaktor, dem Methanreaktor, entnommen werden kann.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, im Vorgärreaktor eine hohe Raumbelastung einzustellen, so dass ein hoher Wasserstoffpartialdruck erzeugt wird. Die Raumbelastung kann 1 bis 5 kg oTS/m³/Tag, vorzugsweise 3 bis 4 kg oTS/m³/Tag, betragen.

Die hohe Raumbelastung verhindert, dass neben der Hydrolse/Acetogenese die Methanogenese abläuft. Statt dessen kommt es zu einer den Stoffumsatz fördernden Versäuerung des Substrats. Schließlich ist der erzeugte hohe Wasserstoffpartialdruck auch verantwortlich für die deutliche Senkung der erforderlichen Verweilzeiten in dieser Reaktionsstufe, da der Abbau von Biopolymeren optimiert wird. Ist die Raumbelastung zu hoch gelangt nicht umgesetzte Biomasse in den Methanreaktor und stört dort die Reaktorbiologie bis zum Umkippen (Versäuern) der Reaktion. Das bei der Hydrolyse/Säurebildung im Vorgärreaktor entstehende Biogas besteht zu 90% aus CO₂ und wird in die Atmosphäre abgegeben.

Die Temperatur im Vorgärreaktor kann 20 bis 32°C, vorzugsweise 22 bis 28°C betragen. Der pH-Wert im Vorgärreaktor kann vorzugsweise 4,3 bis 4,8 und gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei etwa 4,5 liegen.

Zum Starten des Verfahrens kann der Hauptreaktor eine Nährlösung, beispielsweise Gülle, enthalten. Die dem Hauptreaktor, dem Methanreaktor, entnommene Menge an Nährlösung (Kreislauflösung) kann durch das versäuerte Substrat aus dem Vorgärreaktor ersetzt werden. Vorzugsweise wird die pro Zeiteinheit ausgetauschte versäuerte Substratmenge zwischen den Reaktoren so gewählt, dass sie der Pufferkapazität im Methanreaktor entspricht. Bei dieser Verfahrensweise finden die methanogenen Mikroorganismen optimale Milieubedingungen für den weiteren Stoffumsatz vor. Vorzugsweise stellt man die Reaktionstemperatur im Hauptreaktor auf 32 bis 45°C und besonders bevorzugt auf 32 bis 42°C ein. Der pH-Wert im Hauptreaktor kann vorzugsweise 7 bis 7,5, besonders bevorzugt um etwa 7,5 betragen.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Biogas besteht zu mindestens 70% aus Methan und zu etwa 25% aus Kohlendioxid. Die Sammlung des Biogases kann im Reaktordom als Niederdruckgas erfolgen und kann dort zur Verwertung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) gelagert werden. Je nach Ausführung des BHKW wird man eine Entschwefelung vornehmen und dafür einen Kondensatabscheider einsetzen.

Unter der Voraussetzung, dass die zum Einsatz kommenden Abfallstoffe keine Hemm- oder Störstoffe enthalten, die sich negativ auf die Reaktorbiologie auswirken können, läuft das erfindungsgemäße Verfahren Monate lang stabil. Lediglich bei mineral-/salzarmen Biomassen kann es nach etwa 120 Tagen erforderlich sein, die Laufdauer durch Zugabe von Salzen zu verlängern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die Biomasse vor der Einleitung in den Vorgärreaktor einer Hygienisierung unterzogen werden. Dabei wird die Biomasse für einen Zeitraum von 1 bis 2 Stunden, vorzugsweise etwa eine Stunde auf eine Temperatur von 70 °C und mehr erwärmt. Die erfindungsgemäß in bei der Vorgärung durchgeführte starke Übersäuerung der Biomasse unterstützt die Wirkung der Hygienisierung. Vorzugsweise kann der Wassergehalt des im Vorgärreaktor und im Hauptreaktor (Methanreaktor) zu behandelnden Materials 60 bis 90 Gew.% betragen.

Die Produkte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Methan, Kohlendioxid und Kompost. Es können pro 1008 Trockenmasse 9g Biomasse, 66g CO₂ und 24g Methan entste hen. Der pH-Wert der Vergärung beträgt 6,7 bis 8,0 und das Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis liegt im Bereich von 10:1 bis 45:1.

Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hochmobil und weist einen modularen Aufbau von Reaktoren und Servicecontainern auf.

Den Reaktoren kommt die Aufgabe des Biomasserückhalts und der Erzeugung von Biogas zu. Der Servicecontainer kann die komplette Maschinentechnik zur Aufgabe und Vorbehandlung der Biogenen Wert- und Rohstoffe, den für die Aufrechterhaltung der benötigten Prozessbedingung installierte Wärmeübertrager, sowie Pumptechnik und der Apparate zur Biogasvorbehandlung enthalten.

Die erfindungsgemäße Anlage ist vorzugsweise einfach zerlegbar und kann kurzfristig an einem anderen Ort aufgebaut werden. Dazu werden vorzugsweise genormte Wechselsilobehälter als Reaktoren eingesetzt. Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht die Aufstellung auch in dicht besiedelten Gebieten oder nahe an Produktionsstätten. Befüll- und Entleerungsvorgänge können direkt beim Erzeuger oder Abnehmer der Nährlösung erfolgen.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Biogasanlage zur Erzeugung von Biogas nach einer bevorzugten Verfahrensführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ziffer 1 bezeichnet eine Reststoffannahme-Einheit, wo die Biomasse auf einen Mischer 2 gegeben wird. Der Abstrom aus dem Mischer wird über eine Sumpfpumpe 3 in den Wärmeübertrager gepumpt und dort auf eine Temperatur von 20 bis 32°C gebracht und weiter in den Vorgärreaktor 6 gepumpt. Der pH-Wert des Vorgärreaktors 6 wird ständig überprüft. Aus dem Vorgäreaktor 6 wir umgesetzte Biomasse in den Hauptreaktor 5 in einer Menge überführt, dass der pH-Wert in einem Bereich von 6,7 bis 7,7 gehalten werden kann. Eine in etwa entsprechende Menge des ausgefaulten Substrats aus dem Hauptreaktor 5 wird in den Vorgäreaktor 6 rückgeführt. Die Beheizung der Reaktoren erfolgt extern. Zur Beheizung wird die Nährlösung über die Sumpfpumpe 3 und den Wärmeübertrager 4 im Kreislauf gefahren bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Das im Hauptreaktor 5 erzeugte Biogas kann über den Kondensatabscheider 7 einer energetischen Nutzung zugeführt werden.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Biogas durch Vergären von Biomasse im Wege einer Nassfermentation, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst einen Vorgärreaktor mit Nährlösung beschickt und eine unbehandelte Biomasse solange in den Vorgärreaktor einspeist bis darin ein pH-Wert von 4,3 bis 4,8 eingestellt ist und dieser pH-Bereich auch nach weiterer Zugabe von Biomasse und Nährlösung konstant bleibt, somit eine Vorgärung der Biomasse durchführt und anschließend vorgegärte Biomasse aus dem Vorgärreaktor in einer solchen Menge dem Hauptreaktor zuführt, dass man den pH-Wert in einem Bereich von 6,7 bis 7,7 konstant hält und ausgefaultes Material des Hauptreaktors als Nährlösung dem Vorgärreaktor zuführt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man im Vorgärreaktor eine Temperatur von 22 bis 28 °C einstellt.
Verfahren nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man im Hauptreaktor einen pH-Wert von 7 bis 7,5 einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man im Hauptreaktor eine Temperatur von 32 bis 40 °C einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Materialaustausch zwischen dem Vorgärreaktor und dem Hauptreaktor durch einen Pro zessrechner steuert und als Steuerungsgrößen den pH-Wert in den Reaktoren verwendet.
Biogasanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend zwei Reaktoren, eine Steuerungseinheit zur Auswertung und Einstellung von pH-Wert und Temperatur als Regelungsgrößen und zur Steuerung des Materialaustauschs zwischen den Reaktoren.
Biogasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mischer, Pumpen, Wärmeübertrager und Kondensatabscheider, Sensoren zur Ermittlung des pH-Werts und eine Steuerungseinheit umfaßt.
Biogasanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass deren Bestandteile modular aufgebaut sind.
Biogasanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoren zum Be- und Entladen mobil ausgebildet sind.