DE10322119A1

DE10322119A1 - Verfahren und Vorrichtung zur intensivierten Biogasgewinnung

Info

Publication number: DE10322119A1
Application number: DE2003122119
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Phys. Axmann; Bernd Düsterhöft
Original assignee: GRAVITON GmbH
Current assignee: GRAVITON GmbH
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche neben einem Sammelbecken (1) und einem Fermenter (2) mindestens eine Bioresonanzeinheit (4, 5) aufweist, welche Substanzen (8) mit spezifischen Resonanzen für Biogas enthält, deren stoffliche Eigenschaften in Feldform an das Grundfeld der Bioresonanzeinheit (4, 5) angekoppelt werden und dass diese stofflichen Eigenschaften als Schwebungsfeld übe Bioresonanz auf Methan bildende Mikroorganismen übertragen werden, wodurch eine Erhöhung der Methanausbeute und der Biogasentwicklung zur Biogasgewinnung erfolgt. DOLLAR A Als Bioresonanzeinheit snd auch computergesteuerte multiplex arbeitende elektronische Schwebungsgeneratoren in Verbindung mit einem Festfrequenz-Impulsgenerator, einer Mischstufe und einem HiFi-Verstärker geeignet, die komplexe überlagerte elektromagnetische Signalmuster einer bestimmten Intensität auf eine übliche Spulenanordnung übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur intensivierten Biogasgewinnung aus Substrat. Derartige Verfahren zur Biogasgewinnung werden in Biogasanlagen, Biogasreaktoren, Fermentern, Faulbehältern in der Landwirtschaft, der Industrie und den Kommunen sowie im Privatbereich angewandt. Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff der Erfindung werden insbesondere im Abwasser- und Entsorgungsbereich eingesetzt.

Unter dem Begriff Biogas wird ein brennbares Gasgemisch verstanden, welches bei der Zersetzung von Substrat, wie Fäkalien, Gartenabfällen, Stroh und anderem durch Bakterien unter Luftabschluss unter anaeroben Bedingungen entsteht. Ebenso bedeutsam ist die Zersetzung von Klärschlamm für die Erzeugung von Biogas im Rahmen der Abwasseraufbereitung. Biogas enthält – nach konventionellen Verfahren hergestellt – zwischen 50 und 70 Methan (CH₄), 30 bis 45 % Kohlendioxid (CO₂) und in geringen Mengen Stickstoff, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff.

Der Wirkungsgrad der auf dem anaeroben Abbau organischer Substrate beruhenden biochemischen Prozesse bei Biogasanlagen ist aus biologischen, praktischen und wirtschaftlichen Gründen erheblich niedrig. Teilweise sind organische Substanzen langsam oder gar nicht abbaubar, wodurch lange Verweilzeiten und große Reaktorabmessungen zur wirtschaftlichen Biogaserzeugung erforderlich sind.

In konventionellen Verfahren der Biogaserzeugung wird eine Minderung der organischen Trockensubstanz des Substrates von ca. 30 bis 60 % erreicht. Das heißt, dass im behandelten Substrat, beispielsweise im ausgefaulten Schlamm, ein deutliches Restgaspotenzial verbleibt, welches ungenutzt verloren geht.

Um diesem gravierenden wirtschaftlichen und ökologischen Nachteil abzuhelfen, sind im Stand der Technik eine Reihe von Verfahren zur Optimierung der Biogasausbeute entwickelt worden, welche zum Beispiel eine optimale Milieueinstellung, wie günstige Temperatur- und pH-Bereiche und Verweilzeiten sowie das richtige Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Stickstoff-Verhältnis und auch die optimale Versorgung mit Spurenelementen und Elektrolyten und Ähnliches beinhalten.

Unter Berücksichtigung dieser klassischen Parameter verbleibt das genannte Restgaspotenzial bzw. wird dieses in der Praxis häufig noch nicht einmal erreicht. Dies ist darin begründet, dass aufgrund von die Methanbakterien schädigenden Stoffen oder von Betriebsstörungen häufig noch nicht einmal dieser geringe Ausfaulgrad erreicht wird.

Im Stand der Technik sind weiterhin eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung von biologischen Abfällen, wie Klärschlamm, Abwasser und Gülle, mit dem Ziel der Reduzierung des Anfalls, der Entsorgungskosten und gegebenenfalls der Erhöhung der Biogasausbeute bekannt. Das diesen Ansätzen gemeinsame Funktionsprinzip besteht in der mechanischen Zerkleinerung oder Zerstörung des Substrats mittels Ultraschall. Die wesentlichen praxisrelevanten Vorrichtungen sind die Rühwerkskugelmühle, der Ultraschallreaktor, der Hochdruckhomogenisator, der Hochleistungspulsreaktor, das Prallstrahlgerät und die Lysatzentrifuge.

Die vorgenannten Verfahren sind unter dem Begriff Biomassedesintegration zusammenfassbar und haben die Zerstörung der Substratstruktur mit einer einhergehenden Oberflächenvergrößerung und Zellaufschluss zur Grundlage der Behandlung.

Bei Verweilzeiten von zwanzig Tagen sind mit diesen Verfahren relative Steigerungen des Faulgasanfalls/Biogasanfalls von 10 % bis über 30 % nachgewiesen worden. Zur weiteren Steigerung müssen mehrstufige Verfahren oder weitergehende, aber aufwendige Verfahren, welche beispielsweise mit Ozon arbeiten, herangezogen werden.

Ein Verfahren zur Erhöhung der Biogasausbeute wird in der EP 0 808 803 A1 beschrieben. Dabei handelt es sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Desintegration von belebtem Schlamm. Dieses Verfahren basiert auf der Ultraschallbehandlung von Klärschlamm und einer damit verbundenen Kavitation, welche die Zellwände des Substrates zerstört und dadurch eine Oberflächenvergrößerung hervorgerufen wird, die das Substrat für die anaeroben Mikroorganismen leicht angreifbar und abbaubar macht.

Darüber hinaus ist ein weiteres Verfahren im Stand der Technik nach der EP 0 983 968 A2 bekannt. Hierbei wird von den zu behandelnden biologischen Abfällen eine definierte Teilmenge abgetrennt und mit einer bestimmten Ultraschallleistung beaufschlagt. Diese biologisch aktivierte Teilmenge wird in die nichtbeschallte Restmenge zurückgeführt, wodurch eine erhöhte biologische Aktivität in den Zellen der Gesamtmenge bewirkt werden soll.

Den genannten Verfahren ist nachteilig gemeinsam, dass ein Ultraschalleintrag zum Erreichen von Biogasertragssteigerungen energie- und kostenaufwendig ist und dass weiterhin der Ausfaulgrad bzw. die Nutzung des Substrates zur Biogasbildung nicht in einem angemessenen Verhältnis zu der aufzuwendenden Energie und den damit verbundenen Apparativen- und Energiekosten steht.

Weiterhin ist als Nachteil festzustellen, dass eine Steigerung der Biogasausbeute nur um weniger als 30 bis 40 % erreichbar ist.

Gleichfalls nachteilig ist, dass mit dem hohen Ultraschallenergieeintrag ein teilweiser Aufschluss der Mikroorganismen und eine hydrolythische Spaltung erzielt werden. Davon sind besonders auch die für den Biogasprozess entscheidenden und empfindlichen Methanbakterien, die durch eine besondere Hüllenstruktur gekennzeichnet sind, betroffen.

Somit kann der optimale biologisch erreichbare Wirkungsgrad nicht erzielt werden. Durch den Zellaufschluss können weiterhin an anderer Stelle im Prozessablauf zusätzliche Belastungen, wie beispielsweise ein erhöhter Sauerstoffbedarf und eine Anreicherung von Schwermetallen oder schwer abbaubaren CSB-Verbindungen, entstehen.

Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur intensivierten Biogasgewinnung zur Verfügung zu stellen, welche mit geringem apparativen und energetischen Aufwand zu einer deutlichen Erhöhung der Biogasausbeute und des Methananteils im Biogas führt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur intensivierten Biogasgewinnung aus Substrat insbesondere dadurch gelöst, dass neben einem Sammelbecken und einem Fermenter mindestens eine Bioresonanzeinheit vorgesehen ist, welche Substanzen mit spezifischen Resonanzen für Biogas enthält, deren stoffliche Eigenschaften in Feldform an das Grundfeld der Bioresonanzeinheit angekoppelt werden und dass diese stofflichen Eigenschaften als Schwebungsfeld über Bioresonanz auf Methan bildende Mikroorganismen übertragen werden, wodurch eine Erhöhung der Methanausbeute und der Biogasentwicklung erfolgt.

Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur intensivierten Biogasgewinnung aus Substrat gelöst, bei welcher als Bioresonanzeinheit computergesteuerte multiplex arbeitende elektronische Schwebungsgeneratoren in Verbindung mit einem Festfrequenzimpulsgenerator, einer Mischstufe und einem Hi-Fi-Verstärker eingesetzt werden, welche komplexe überlagerte elektromagnetische Signalmuster einer bestimmten Intensität auf eine übliche Spülenanordnung übertragen Erfindungsgemäß wird für die intensivierte Biogasgewinnung ein Verfahren angewandt, welches das Substrat vor und/oder während der Fermentation durch ein Schwebungsfeld stimuliert, wobei eine Homogenisierung des Substrats erfolgt.

Konzeptionsgemäß wird bei der Erfindung eine Kombination von herkömmlicher Biogasanlage mit einer Bioresonanzeinheit gemäß den selbständigen Patentansprüchen eingesetzt.

Eine durch diese Behandlung erreichte Steigerung der Biogasausbeute wurde mehrfach wissenschaftlich nachgewiesen.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit optimierten magnetischen Schwebungsfrequenzen bei verschiedensten Mikroorganismen, wie z. B. Escherichia-coli (E-coli), Enterokokken, Hefezellen und anderen mehr, reproduzierbare und statistisch signifikante Stimulierungen des Zellwachstums bzw. der Hemmung nachgewiesen werden konnten, welche im erfindungsgemäß beanspruchten Verfahren technischen genutzt werden.

Durch die Behandlung des Substrates mit der Bioresonanzeinheit wurden signifikante Änderungen in der mikrobiologischen Besiedlung nachgewiesen. Dabei ändert sich nicht nur die Zusammensetzung der mikrobiologischen Flora, sondern auch der Anteil einzelner Bakteriengattungen an der Gesamtbesiedlung. Dies wird einerseits deutlich anhand der identifizierten Bakteriengattungen/Arten als auch in der Stoffwechselleistung, die anhand der Gasbildung nachgewiesen werden kann.

Dabei kam es zu einer gesteigerten Methanbildung bei verringerter CO₂-Produktion nach der Behandlung des Substrates in der erfindungsgemäßen Weise. Gleichzeitig wurde eine Erhöhung der Biogasbildung insgesamt nachgewiesen.

Als Vorteile der Erfindung sind im Wesentlichen zu nennen, dass sowohl eine Erhöhung der Biogasausbeute als auch eine Verschiebung der Biogaskomponenten hin zum erhöhten Anteil von Methan zu verzeichnen sind. Insbesondere vorteilhaft ist, dass diese Effizienzsteigerung apparativ aufwandsarm ist und auch störungsfrei in vorhandene Biogasanlagen integrierbar ist, indem Bioresonanzeinheiten in diesen Anlagen nachgerüstet werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Bioresonanzeinheit in einer Schnittdarstellung,
2: Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Biogasgewinnung.
In 1 wird eine erfindungsgemäße Bioresonanzeinheit 4, 5 als Stoffschichtenakkumulator dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus metallisch leitenden Schichten 9, 9.1, 9.2 sowie aus Isolatoren 10. An eine metallisch leitende Schicht 9.1 wird, gegenüber einem Metallzylinder 9.2, eine regelbare elektrische Spannung angelegt und innerhalb des Metallzylinders 9.2 ist eine Substanz 8 mit spezifischen Resonanzen für Biogas angeordnet. Das sich ergebende Schwebungsfeld führt zu der erfindungsgemäßen Erhöhung der Biogasausbeute und der Erhöhung des Methananteils im Biogas.
In der Bioresonanzeinheit 4, 5 werden als Substanzen 8 Wasserstoffperoxid, Kohlendioxid, Kaliumpermanganat, Calziumsulfid, Calziumhydroxid, Gele Royal, Ginseng und Glukose eingesetzt.
Die Substanzen 8 sind dabei auf das Substrat abgestimmt. Bei einem Einsatz von Gülle oder Abwasser als Substrat werden bevorzugt Sauerstoff, Kohlendioxid, Glukose, Gele Royal und Ginseng als Substanzen eingesetzt.
Alternativ zur gemäß 1 beschriebenen Bioresonanzeinheit 4, 5 ist erfindungsgemäß eine Bioresonanzeinheit mit computergesteuerten multiplex arbeitenden elektronischen Schwebungsgeneratoren in Verbindung mit einem Festfrequenzimpulsgenerator, einer Mischstufe und einem Hi-Fi-Verstärker einsetzbar, welche komplexe überlagerte elektromagnetische Signalmuster einer bestimmten Intensität auf eine übliche Spulenanordnung übertragen. Als Spulenanordnung werden bevorzugt eine Möbiusspule oder eine Ringspule eingesetzt.
In 2 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dabei wird in einem Sammelbecken 1 das Substrat in Form von Gülle 6 und Abwasser 7 eingeleitet und gemischt. Die Bioresonanzeinheit 4 wird schwimmend auf diesem Sammelbecken gelagert und behandelt das Substrat mit dem erfindungsgemäßen Schwebungsfeld, welches zu einer Homogenisierung des Substrates und den erfindungsgemäßen Wirkungen der Erhöhung der Biogasausbeute mit erhöhtem Methananteil führt.
Das gemischte Substrat gelangt anschließend in den Fermenter 2, in welchem eine gasdicht ausgeführte Bioresonanzeinheit 5 eingebracht ist, welche das gemischte Substrat unter Luftabschluss weiterhin mit dem Schwebungsfeld beaufschlagt. Es ist festzustellen, dass die Behandlung durch das Schwebungsfeld entweder im Sammelbecken 1 und/oder im Fermenter 2 erfolgen kann. Prinzipiell bedeutet eine Verlängerung der Behandlungszeit einer Verbesserung der Biogasausbeute und eine höhere Ausbeute an Methan im Biogas.
Das Biogas, welches im Fermenter 2 entsteht, wird abgeführt und einem Blockheizkraftwerk 3 zur energetischen Verwertung zugeleitet.
Zur Intensivierung der Biogasbildung kann eine Zugabe von speziellen Methanbakterienstämmen zum Substrat erfolgen. Auf diese Weise wird es möglich, im Laufe der Zeit und der Behandlung besonders effektive selektierte Methanbakterienstämme zu kultivieren und damit die Behandlungszeiten des Substrats zur Biogasgewinnung zu verkürzen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Methangehaltes im Biogas besteht im Zusatz von Wasserstoff oder Wasserstoff bildenden E-colistämmen zum Substrat. Durch eine derartige Zugabe wird der Methangehalt auf Werte von bis zu 90–100 % im Biogas erhöht.
Bevorzugte Behandlungszeiten für das Substrat mit dem Schwebungsfeld liegen in der Größenordnung von ein bis zwei Wochen. Mit einer Bioresonanzeinheit können ca. 2000 bis 3000 Kubikmeter Substrat behandelt werden.
Bei der gezielten Einstellung eines Schwebungsfeldes wird bevorzugt das Frequenzpaar von 16,4 Hz und 108,9 Hz angewandt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich spezifische Stimulierungsfrequenzen eingesetzt werden. Dabei werden im genannten Ausführungsbeispiel zusätzliche spezifische Stimulierungsfrequenzen von 5 bis 200 Hz angewandt. Gleichfalls von Vorteil ist es, die Feldintensität (effektiver Spulenstrom) des Schwebungsfeldes im Bereich von 50 mA bis 500 mA einzustellen.
Mit der Erfindung werden vielfältige Vorteile erzielt. Nachweisbar kann die Biogasausbeute auf mehr als 200 bis 700 % im Vergleich zu traditionellen Verfahren der Biogasgewinnung erhöht werden. Weiterhin wird der Methangehalt des Biogases um mehr als 28 % bis 39 %, auch ohne Zugabe zusätzlichen Wasserstoffs, erhöht. Die Maximierung des Methangehaltes durch eine zusätzliche Wasserstoffeinspeisung kann auf 90 % bis 100 % erfolgen. Weitere vorteilhafte Effekte durch die Behandlung des Substrats mit dem Schwebungsfeld liegen in der Homogenisierung und der Verbesserung der Fließfähigkeit der Biomasse im Vorfeld der Biogasgewinnung und dem dadurch vermindertem Rühraufwand.
Gleichfalls verringert wird die Störanfälligkeit durch die geringere Viskosität des Substrats. Es ergibt sich insbesondere durch die Homogenisierung die Möglichkeit, größere Trockenmassenanteile von beispielsweise mehr als 5 bis 10 % einzusetzen und dadurch mehr Biomaterial verarbeiten zu können. Gleichfalls vorteilhaft ist die nachgewiesene Geruchsminderung im Bereich des Sammelbeckens durch eine Verschiebung der Ammoniakbildung zum Ammonium und einem pH-Anstieg.
Ebenso nachweisbar verringerte sich in vorteilhafter Weise die Gesamtstöranfälligkeit einer erfindungsgemäß ausgeführten Biogasanlage durch eine erhöhte Stresstoleranz der Methanbakterien gegenüber toxischen Stoffen und betriebsbedingten Änderungen der Eingangsstoffe und Größen.

1: Sammelbecken
2: Fermenter
3: Blockheizkraftwerk BHKW
4: Bioresonanzeinheit schwimmend gelagert
5: Bioresonanzeinheit gasdichte Ausführung
6: Gülle
7: Abwasser
8: Substanz mit spezifischen Resonanzen für Biogas
9: metallisch leitende Schichten
9.1: metallisch leitende Schicht
9.2: Metallzylinder
10: Isolatoren

Claims

Vorrichtung zur intensivierten Biogasgewinnung aus Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass neben einem Sammelbecken (1) und einem Fermenter (2) mindestens eine Bioresonanzeinheit (4, 5) vorgesehen ist, welche Substanzen (8) mit spezifischen Resonanzen für Biogas enthält, deren stoffliche Eigenschaften in Feldform an das Grundfeld der Bioresonanzeinheit (4, 5) angekoppelt werden und dass diese stofflichen Eigenschaften als Schwebungsfeld über Bioresonanz auf Methan bildende Mikroorganismen übertragen werden, wodurch eine Erhöhung der Methanausbeute und der Biogasentwicklung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bioresonanzeinheit (4, 5) als Stoffschichtenakkumulator ausgeführt ist und aus metallisch leitenden Schichten (9, 9.1, 9.2) sowie Isolatoren (10) aufgebaut ist, wobei an eine metallisch leitende Schicht (9.1) gegenüber einem Metallzylinder (9.2) eine regelbare elektrische Spannung anlegbar ist und dass innerhalb des Metallzylinders (9.2) die Substanz (8) mit spezifischen Resonanzen für Biogas angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bioresonanzeinheit (4, 5) als Substanzen (8) Wasserstoffperoxid, Kohlendioxid, Kaliumpermanganat, Calziumsulfid, Calziumhydroxid, Gele Royal, Ginseng und Glukose eingesetzt werden.
Vorrichtung zur intensivierten Biogasgewinnung aus Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass neben einem Sammelbecken (1) und einem Fermenter (2) mindestens eine Bioresonanzeinheit (4, 5) vorgesehen ist, welche mit computergesteuerten multiplex arbeitenden elektronischen Schwebungsgeneratoren in Verbindung mit einem Festfrequenz-Impulsgenerator, einer Mischstufe und einem HiFi-Verstärker eingesetzt werden, die komplexe überlagerte elektromagnetische Signalmuster einer bestimmten Intensität auf eine übliche Spulenanordnung übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Spulenanordnung eine Möbiusspule oder Ringspule eingesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blockheizkraftwerk (3) nachgeordnet ist, welches das entstehende Biogas verwertet.
Verfahren zur intensivierten Biogasgewinnung, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat a) vor und/oder während der Fermentation b) durch ein Schwebungsfeld stimuliert wird, wobei c) eine Homogenisierung des Substrats erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat Gülle (6) und/oder Abwasser (7) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zugabe von speziellen Methanbakterienstämmen zum Substrat erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff oder Wasserstoff bildenden E-coli-Stämme dem Substrat zugesetzt werden um den Methangehalt zu erhöhen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszeit mittels des Schwebungsfeldes für ein bis zwei Wochen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bioresonanzeinheit (4, 5) für 2000 m³ bis 3000 m³ Substrat eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwebungsfeld durch das Frequenzpaar von 16,4 Hz und 108,9 Hz erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich spezifische Stimulierungsfrequenzen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich spezifische Stimulierungsfrequenzen zwischen 5 Hz und 200 Hz angewandt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldintensität des Schwebungsfeldes im Bereich von 50 mA bis 500 mA effektiver Spulenstrom eingestellt wird.