DE112020005266T5

DE112020005266T5 - Anaerobic fermentation apparatus for the production of biogas from organic solids

Info

Publication number: DE112020005266T5
Application number: DE112020005266.4T
Authority: DE
Inventors: Soo-Myung Kim; Bernhard-Mathias Morawe
Original assignee: Technocon GmbH
Current assignee: Technocon GmbH
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2022-12-22
Also published as: WO2021112440A1; KR102122734B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen anaeroben Vergärungsreaktor zur Erzeugung von Biogas aus organischen Feststoffen unter Verwendung von anaeroben Mikroorganismen. Der anaerobe Vergärungsreaktor ist in eine innere anaerobe Reaktionseinheit und eine äußere anaerobe Reaktionseinheit unterteilt, indem der innere zylindrische Behälter in den äußeren zylindrische Behälter, der ein von außen her abgeschlossenes Gefäß ist, vertikal installiert wird. Darüber hinaus besteht es aus einem Flüssigkeitsrückflussrohr, das vertikal niedriger als die Höhe des inneren zylindrischen Behälters in der inneren anaeroben Reaktionseinheit installiert ist, um die Flüssigkeit von der inneren anaeroben Reaktionseinheit zur äußeren anaeroben Reaktionseinheit zu transportieren, einem Flüssigkeitsrückflussventil zum geregelten Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsrückflussrohrs und einem Impulsmischer zum Überführen der Flüssigkeit von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit zur inneren anaeroben Reaktionseinheit. Die Flüssigkeit wird von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit zu der inneren anaeroben Reaktionseinheit durch den Betrieb des Impulsmischers durchmischt und in einem Zustand übertragen, in dem das Flüssigkeitsrückflussventil geschlossen ist. Dadurch entsteht eine Wasserspiegeldifferenz zwischen der inneren anaeroben Reaktionseinheit und die äußeren anaerobe Reaktionseinheit. Dann wird in dem Zustand, in dem das Flüssigkeitsrückflussventil geöffnet ist, die Flüssigkeit in dem anaeroben Vergärungsreaktor erneut gemischt, wenn die Flüssigkeit von der inneren anaeroben Reaktionseinheit durch das Flüssigkeitsrückflussrohr zu der äußeren anaeroben Reaktionseinheit aufgrund dieser Wasserspiegeldifferenz zwischen den beiden Reaktionseinheiten zurückfließt. In dem wie oben beschrieben konfigurierten anaeroben Vergärungsreaktor kann die Verweilzeit von organischen Feststoffen und anaeroben Mikroorganismen durch die Pfropfenströmung mit einem längeren Flüssigkeitsweg zwischen den beiden Reaktionseinheiten verlängert werden und eine gleichmäßige Durchmischung ist möglich, so dass der Abbau von organischen Feststoffen verbessert und die Produktion von Biogas erhöht wird.The present invention relates to an anaerobic fermentation reactor for generating biogas from organic solids using anaerobic microorganisms. The anaerobic digestion reactor is divided into an inner anaerobic reaction unit and an outer anaerobic reaction unit by vertically installing the inner cylindrical tank in the outer cylindrical tank, which is a closed vessel from the outside. In addition, it consists of a liquid reflux tube installed vertically lower than the height of the inner cylindrical container in the inner anaerobic reaction unit to transport the liquid from the inner anaerobic reaction unit to the outer anaerobic reaction unit, a liquid reflux valve to controllably open and close the liquid reflux tube and an impulse mixer for transferring the liquid from the outer anaerobic reaction unit to the inner anaerobic reaction unit. The liquid is mixed and transferred from the outer anaerobic reaction unit to the inner anaerobic reaction unit by the operation of the pulse mixer in a state where the liquid reflux valve is closed. This creates a water level difference between the inner anaerobic reaction unit and the outer anaerobic reaction unit. Then, in the state where the liquid reflux valve is opened, the liquid in the anaerobic digestion reactor is mixed again when the liquid flows back from the inner anaerobic reaction unit through the liquid reflux pipe to the outer anaerobic reaction unit due to this water level difference between the two reaction units. In the anaerobic digestion reactor configured as described above, the residence time of organic solids and anaerobic microorganisms can be lengthened by the plug flow with a longer liquid path between the two reaction units and uniform mixing is possible, so that the decomposition of organic solids is improved and the production of biogas is increased.

Description

Technologiebereichtechnology area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine anaerobe Vergärungsapparatur zur Herstellung von Biogas aus organischen Feststoffen, d. h. sie betrifft ein System zur anaeroben Vergärung, in welchem Biogas gebildet wird, welches Methan (CH₄) als Energiequelle enthält, indem anaerobe Mikroorganismen unter Sauerstoffabschluss organisches Material wie organische Feststoffe, die in Abwässern oder organischen Abfällen enthalten sind, abbauen.The present invention relates to an anaerobic fermentation apparatus for the production of biogas from organic solids, ie it relates to a system for anaerobic fermentation in which biogas is formed which contains methane (CH ₄ ) as an energy source by anaerobic microorganisms in the absence of oxygen organic material such as organic solids contained in sewage or organic waste.

Es besteht ein wachsendes Interesse an Systemen zur anaeroben Vergärung, die erneuerbare Energie in Form von methanhaltigem Biogas aus hochkonzentrierten organischen Feststoffen gewinnen, wie sie in Viehgülle, Speiseresten, Überschussschlamm oder organische Abfälle aus der Speisemittelproduktion und aus Schlachthöfen enthalten sind. Deshalb gibt es einen Bedarf an einer kompakten Apparatur zur anaeroben Vergärung, welche wirtschaftlicher und einfacher zu bauen und zu bedienen ist.There is growing interest in anaerobic digestion systems that produce renewable energy in the form of methane-containing biogas from highly concentrated organic solids, such as those found in livestock manure, food waste, excess sludge, or organic waste from food processing and slaughterhouses. Therefore, there is a need for a compact anaerobic digestion apparatus that is more economical and easier to build and operate.

Im Allgemeinen ist eine anaerobe Vergärungsapparatur zur Erzeugung von Biogas eine Vorrichtung zum Vergären organischer Feststoffe zu Biogas, das hauptsächlich Methan und Kohlendioxid enthält, durch anaerobe Mikroorganismen, indem organische Feststoffe in einen verschlossenen Behälter gegeben werden. Dabei sind die wichtigsten Schritte in der biochemischen Reaktion anaerober Mikroorganismen, die in einer sauerstofffreien Umgebung wachsen, um organische Feststoffe in Biogas umzuwandeln, der Produktionsschritt der Versäuerung, in dem die anaeroben Mikroorganismen organische Feststoffe in verschiedene Zwischenprodukte organischer Säuren wie Essigsäure (CH₃COOH) umwandeln und der methanogenen Schritt, in dem Methanbakterien die durch den Versäuerungsschritt produzierte organische Säure in Methan (CH₄) umwandeln. Die Arten und Wachstumsbedingungen der Mikroorganismen, die diese Reaktionsschritte durchführen, sind voneinander verschieden.In general, an anaerobic digestion apparatus for producing biogas is a device for fermenting organic solids into biogas mainly containing methane and carbon dioxide by anaerobic microorganisms by placing organic solids in a sealed container. The most important steps in the biochemical reaction of anaerobic microorganisms growing in an oxygen-free environment to convert organic solids into biogas are the acidification production step, in which the anaerobic microorganisms convert organic solids into various intermediate products of organic acids such as acetic acid (CH ₃ COOH) and the methanogenic step, in which methane bacteria convert the organic acid produced by the acidification step into methane (CH ₄ ). The species and growth conditions of the microorganisms that carry out these reaction steps are different from each other.

Für eine effektive biochemische Reaktion sollte das anaerobe Vergärungssystem so konfiguriert sein, dass es eine optimales physikalisches und biologisches Milieu bereitstellt und aufrechterhält, damit sich anaerobe Mikroorganismen schnell vermehren können, um so möglichst viele organische Feststoffe abzubauen und in Biogas umzuwandeln. Wesentlich ist ein Verfahren, das eine lange Verweilzeit der im Anaerobfermenter gezüchteten anaeroben Mikroorganismen und der organischen Feststoffe als Nahrung sicherstellt und ein Verfahren, das eine gute Vermischung miteinander ermöglicht.For an effective biochemical reaction, the anaerobic digestion system should be configured to provide and maintain an optimal physical and biological environment for anaerobic microorganisms to proliferate rapidly to break down as much organic solids as possible and convert them to biogas. What is essential is a process that ensures a long residence time for the anaerobic microorganisms cultivated in the anaerobic fermenter and the organic solids as food, and a process that enables good mixing with one another.

Im Fall einer herkömmlichen anaeroben Vergärungsapparatur beträgt das Verhältnis von Breite zu Höhe 1:1 oder weniger, und organische Feststoffe werden kontinuierlich in einen anaeroben Reaktor mit einer verhältnismäßig geringen Wassertiefe und großen Breite zugegeben und das Mischen von Mikroorganismen und organischen Feststoffen erfolgt durch Propeller- oder Paddelrührertypen. Das Mischen erfolgt mechanisch mit einem Rührwerk, durch ein Differenzdruck oder durch Gaseinblasen mit erzeugtem Biogas. In einem solchen herkömmlichen anaeroben Faulbehälter hat eine beträchtliche Menge an anaeroben Mikroorganismen und organischen Feststoffen keine ausreichende Verweilzeit und wird aus dem Reaktor ausgetragen. Das Mischen unter Verwendung eines Propeller- oder Paddelrührers ist nicht gleichmäßig, die Mischeffizienz ist gering und das Mischen wird in einem Volumen mit einer großen Querschnittsfläche durchgeführt. Es verbraucht nicht nur viel Energie für den Antrieb, weil zu diesem Zweck mehrere mechanische Rührwerke installieren werden müssen, sondern da alle Schritte der anaeroben Vergärung wie Essigsäurebildungs- und Methanbildungsschritt unter den gleichen Milieubedingungen im Reaktor durchgeführt werden sind insofern problematisch, als dass der anaerobe Abbau der organischen Feststoffe gering ist und ebenfalls die Biogasproduktion verringert ist.In the case of a conventional anaerobic digestion apparatus, the width to height ratio is 1:1 or less, and organic solids are continuously fed into an anaerobic reactor having a relatively small water depth and large width, and the mixing of microorganisms and organic solids is carried out by impeller or paddle stirrer types. The mixing takes place mechanically with an agitator, by means of a differential pressure or by blowing in gas with generated biogas. In such a conventional anaerobic digester, a significant amount of anaerobic microorganisms and organic solids do not have sufficient residence time and are discharged from the reactor. Mixing using a propeller or paddle stirrer is not uniform, mixing efficiency is low, and mixing is performed in a volume with a large cross-sectional area. Not only does it consume a lot of energy for the drive because several mechanical agitators have to be installed for this purpose, but since all steps of anaerobic fermentation such as acetic acid formation and methane formation step are carried out under the same environmental conditions in the reactor are problematic in that the anaerobic degradation of organic solids is low and biogas production is also reduced.

Außerdem werden mehrstufige anaerobe Fermenter verwendet, bei dem die einzelnen Behälter in zwei Stufen hintereinander angeordnet sind. Auch diese Vorrichtung hat eine kurze Verweilzeit von organischen Feststoffen und es werden Totzonen aufgrund des ungleichmäßigen Mischens der mechanischen Rührvorrichtung ausgebildet. Die effektive Kapazität des Behälters nimmt mit der Zeit ab, da Feststoffe und Mikro-Störstoffe mit großen spezifischen Dichten nicht ausgetragen werden können und sich am Boden des Behälters ablagern. Als Ergebnis wird die organische Raumbelastung (kg oTS/m³·d), die ein Parameter ist, der den täglichen organischen Feststoffmassenstrom (kg oTS/d) angibt, der pro Kubikmeter des effektiven Volumens des anaeroben Fermenters behandelt wird, und erhöht und die Effizienz des Abbaus der organischer Feststoffe wird durch die Überlastung der anaerober Mikroorganismen, insbesondere der methanbildenden Bakterien, verringert, der durch die hohe organische Belastung pro effektivem Volumen des anaeroben Fermenters verursacht wird. Außerdem besteht die Anlage aufgrund der Installation mehrerer Behälter aus mehreren Stufen, wodurch eine große Fläche für den Betrieb mit höheren Betriebs- und Baukosten benötigt wird.In addition, multi-stage anaerobic digesters are used, in which the individual tanks are arranged in two stages one behind the other. Also this device has a short residence time of organic solids and dead zones are formed due to the non-uniform mixing of the mechanical stirring device. The effective capacity of the container decreases over time, since solids and micro-contaminants with high specific densities cannot be discharged and are deposited on the bottom of the container. As a result, the organic volume load (kg oTS/m ³ ·d), which is a parameter indicating the daily organic solids mass flow (kg oTS/d) treated per cubic meter of the effective volume of the anaerobic digester, and increases and the Efficiency of decomposition of the organic solids is reduced by the overload of the anaerobic microorganisms, especially the methanogenic bacteria, caused by the high organic load per effective volume of the anaerobic digester. Also, due to the installation of multiple tanks, the plant consists of multiple stages, which requires a large area for operation with higher running and construction costs.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Technische HerausforderungTechnical challenge

Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik lösen, indem diese die Mischeffizienz von anaeroben Mikroorganismen und organischen Feststoffen verbessert, die Verweilzeit von organischem Material im Behälter erhöht, die Abbaubarkeit von organischen Feststoffen verbessert und die Biogasproduktion maximiert. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein anaerobes Vergärungssystem mit geringen Bau- und Betriebskosten sowie einem geringeren Platzbedarf im Vergleich zum Stand der Technik bereitzustellen.The present invention is intended to solve the problems of the prior art described above by improving the mixing efficiency of anaerobic microorganisms and organic solids, increasing the residence time of organic matter in the vessel, improving the degradability of organic solids, and maximizing biogas production. In addition, it is an object of the invention to provide an anaerobic fermentation system with low construction and operating costs and a smaller space requirement compared to the prior art.

Technische LösungTechnical solution

Um die obige Aufgabe zu erfüllen, besteht gemäß der Erfindung ein anaerober Fermenter zur Erzeugung von Biogas aus den organischen Feststoffen aus einem äußeren zylindrischen Behälter, der gegen die Außenseite abgedichtet ist, und einem inneren zylindrischen Behälter, der vertikal innerhalb des äußeren zylindrischen Behälters installiert ist, so dass der anaerober Fermenter in eine innere und eine äußere anaerobe Reaktionseinheit unterteilt wird. Ein Flüssigkeitsrückflussrohr ist vertikal niedriger als die Höhe der inneren Reaktionseinheit installiert, um die Flüssigkeit von dem inneren anaeroben Reaktionseinheit zu der äußeren anaeroben Reaktionseinheit zu übertragen; und des Weiteren ein Flüssigkeitsrückflussventil zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsrückflussrohrs und ein Impulsmischer zum Überführen der Flüssigkeit von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit zu der inneren anaeroben Reaktionseinheit. im Zustand, in dem das Flüssigkeitsrückflussventil geschlossen ist, wird die Flüssigkeit in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit durch den Betrieb des Impulsmischers in die innere anaerobe Reaktionseinheit überführt und es findet eine Vermischung in diesen beiden Reaktionseinheiten statt. Wenn der Impulsmischer gestoppt ist und das Flüssigkeitsrückflussventil geöffnet wird, fließt die Flüssigkeit von der inneren anaeroben Reaktionseinheit aufgrund des bereits gebildeten Wasserspiegelunterschieds zurück zu der äußeren anaeroben Reaktionseinheit, und es findet eine erneute Vermischung innerhalb der beiden Reaktionseinheiten statt.To achieve the above object, according to the invention, an anaerobic digester for producing biogas from the organic solids consists of an outer cylindrical tank sealed from the outside and an inner cylindrical tank installed vertically inside the outer cylindrical tank , so that the anaerobic digester is divided into an inner and an outer anaerobic reaction unit. A liquid reflux pipe is installed vertically lower than the height of the indoor reaction unit to transfer the liquid from the indoor anaerobic reaction unit to the outdoor anaerobic reaction unit; and further a liquid reflux valve for opening and closing the liquid reflux pipe and a pulse mixer for transferring the liquid from the outer anaerobic reaction unit to the inner anaerobic reaction unit. in the state where the liquid reflux valve is closed, the liquid in the outer anaerobic reaction unit is transferred to the inner anaerobic reaction unit by the operation of the pulse mixer, and mixing takes place in these two reaction units. When the pulse mixer is stopped and the liquid reflux valve is opened, the liquid flows back from the inner anaerobic reaction unit to the outer anaerobic reaction unit due to the already formed water level difference, and remixing takes place inside the two reaction units.

Vorzugsweise beträgt die durch den Betrieb des Impulsmischers übertragene Flüssigkeitsmenge 5 % oder weniger des effektiven Volumens der äußeren anaeroben Reaktionseinheit.Preferably, the amount of liquid transferred by operation of the pulse mixer is 5% or less of the effective volume of the external anaerobic reaction unit.

Außerdem beträgt die Höhe des Flüssigkeitsrückflussrohrs über dem Boden in der inneren anaeroben Reaktionseinheit vorzugsweise mindestens 3/4 der Höhe des inneren zylindrischen Behälters der inneren anaeroben Reaktionseinheit und die Höhe des Flüssigkeitsrückflussrohrs über dem Boden im äußeren anaeroben Reaktionsteil befindet sich auf der Höhe von 0,8 bis 1,5 m der äußeren anaeroben Reaktionseinheit.Also preferably, the height of the liquid reflux pipe above the bottom in the inner anaerobic reaction unit is at least 3/4 of the height of the inner cylindrical vessel of the inner anaerobic reaction unit, and the height of the liquid reflux pipe above the bottom in the outer anaerobic reaction part is at the height of 0.8 to 1.5 m of the outer anaerobic response unit.

In der wie oben beschrieben konfigurierten anaeroben Vergärungsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung bewegen sich und verweilen die organischen Feststoffe und anaeroben Mikroorganismen zwischen der inneren und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit. Außerdem werden organische Feststoffe in die innere anaerobe Reaktionseinheit eingespritzt und durch einen zusätzlichen Flüssigkeitstransferprozess in die äußere anaeroben Reaktionseinheit überführt und gemischt und erst dort ausgetragen, wodurch die Verweilzeit der organischen Feststoffe und Anaerobier im Reaktor ausreichend verlängert werden kann.In the anaerobic digestion apparatus configured as described above according to the present invention, the organic solids and anaerobic microorganisms move and stay between the inner and outer anaerobic reaction units. In addition, organic solids are injected into the inner anaerobic reaction unit and transferred to the outer anaerobic reaction unit by an additional liquid transfer process and mixed and only discharged there, as a result of which the residence time of the organic solids and anaerobes in the reactor can be sufficiently extended.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine Mischimpuls-Lochplatte mit einer Vielzahl von Perforationen horizontal über der äußeren anaeroben Reaktionseinheit und der inneren anaeroben Reaktionseinheit des anaeroben Reaktors installiert. Wenn in diesem Fall die Flüssigkeit von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit zu der inneren anaeroben Reaktionseinheit durch den Betrieb des Impulsmischers übertragen wird, tritt in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit ein Abwärtsfluss der Flüssigkeit und in der inneren anaeroben Reaktionseinheit ein Aufwärtsfluss der Flüssigkeit auf in der inneren anaeroben Reaktionseinheit. Somit werden das organische Feststoffmaterial und die anaeroben Mikroorganismen durch die Scherkräfte des Flüssigkeitsstrahls gleichmäßig gemischt, während sie mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit durch die Vielzahl von Perforationen der Mischimpuls-Lochplatte strömen. Außerdem wird während des Betriebs des Impulsmischers eine Wasserspiegeldifferenz zwischen der inneren anaeroben Reaktionseinheit und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit erzeugt. Das Flüssigkeitsrückflussventil wird geöffnet, nachdem der Impulsmischer gestoppt wurde. Zu diesem Zeitpunkt fließt die Flüssigkeit durch die Wasserspiegeldifferenz verursacht von der inneren anaeroben Reaktionseinheit zu der äußeren anaeroben Reaktionseinheit durch das Flüssigkeitsrückflussrohr. Während der Aufwärtsströmung in der äußeren Reaktoreinheit und der Abwärtsströmung in der inneren Reaktoreinheit und beim Passieren der Lochplatten in den beiden Reaktoreinheiten mit hoher Strömungsgeschwindigkeit werden die organischen Feststoffe in der Flüssigkeit und die anaeroben Mikroorganismen gleichmäßig durchmischt. Somit sind die Mischimpuls-Lochplatten für die effiziente Durchmischung von flüssigen organischen Feststoffen und anaeroben Mikroorganismen in inneren und äußeren anaeroben Reaktionseinheiten verantwortlich.According to a preferred embodiment, at least one mixing pulse perforated plate having a plurality of perforations is installed horizontally above the outer anaerobic reaction unit and the inner anaerobic reaction unit of the anaerobic reactor. In this case, when the liquid is transferred from the outer anaerobic reaction unit to the inner anaerobic reaction unit by the operation of the pulse mixer, a downward flow of liquid occurs in the outer anaerobic reaction unit and an upward flow of liquid occurs in the inner anaerobic reaction unit in the inner anaerobic reaction unit . Thus, the organic solid matter and the anaerobic microorganisms are uniformly mixed by the shearing forces of the liquid jet while flowing at a high flow rate through the plurality of perforations of the mixing pulse orifice plate. In addition, during the operation of the pulse mixer, a water level difference is generated between the inner anaerobic reaction unit and the outer anaerobic reaction unit. The liquid reflux valve opens after the pulse mixer has stopped. At this time, the liquid flows from the inner anaerobic reaction unit to the outer anaerobic reaction unit through the liquid reflux pipe caused by the water level difference. During the upward flow in the outer reactor unit and the downward flow in the inner reactor unit and when passing through the perforated plates in the two reactor units at high flow rate, the organic solids in the liquid and the anaerobic microorganisms are evenly mixed. Thus, the mixing impulse perforated plates are for the efficient mixing of liquid organic solids and anaerobic microorganisms mechanisms in internal and external anaerobic reaction units.

Vorzugsweise sind Mischimpuls-Lochplatten in drei oder mehr Stufen in vorbestimmten Abständen über der Höhe des anaeroben Reaktors eingebaut und eine Vielzahl an Löchern sind gleichmäßig auf den Mischimpuls-Lochpfatten angeordnet, vorzugsweise beträgt der freie Querschnitt der Löcher 40 % oder weniger und jede Perforation kann kreisförmig oder rechteckig sein.Preferably, mixing pulse perforated plates are installed in three or more stages at predetermined intervals above the height of the anaerobic reactor, and a plurality of holes are evenly arranged on the mixing pulse perforated plates, preferably, the free area of the holes is 40% or less, and each perforation can be circular or be rectangular.

Dabei strömt in der anaeroben Vergärungsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung die Flüssigkeit, die die anaerobe Mikroorganismen und die organische Feststoffe enthält, durch die Vielzahl von Perforationen der Mischimpuls-Lochplatten mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, so dass ein Mischeffekt ohne Totzonen erreicht wird und ohne dass eine separate Rührvorrichtung in der inneren und äußeren anaeroben Reaktionseinheit benötigt wird.In this case, in the anaerobic digestion apparatus according to the present invention, the liquid containing the anaerobic microorganisms and the organic solids flows through the multiplicity of perforations of the mixing pulse perforated plates at a high flow rate, so that a mixing effect is achieved without dead zones and without the need for a separate Stirring device is needed in the inner and outer anaerobic reaction unit.

Wichtige technologische Merkmale der Konstruktionskonfiguration sind die Installation des Zulaufrohrs für organisches Material in der inneren anaeroben Reaktionseinheit zum Einbringen organischer Feststoffe und des Ablaufrohrs des flüssigen Gärrest zum Abführen der aufgeschlossenen Flüssigkeit in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit.Important technological features of the design configuration are the installation of the organic matter inlet pipe in the inner anaerobic reaction unit for introducing organic solids and the liquid digestate outlet pipe for discharging the digested liquid in the outer anaerobic reaction unit.

Der konstruierte anaerobe Vergärungsreaktor zeigt, dass die innere anaerobe Reaktionseinheit vertikal innerhalb der äußeren Reaktionseinheit installiert ist und dass der obere Teil offen ist. Der obere Teil des Vergärungsreaktors, in dem die inneren und äußeren Reaktionseinheiten offen sind, dient als Gasraum zum Sammeln des durch die anaerobe Vergärung der organischer Feststoffe erzeugten Biogases. Ein Gasauslass zum Abführen des im Gasraum gesammelten Biogases ist installiert, um das Biogas nach außerhalb des anaeroben Vergärungsreaktor zu leiten.The constructed anaerobic digestion reactor shows that the inner anaerobic reaction unit is installed vertically inside the outer reaction unit and the top part is open. The upper part of the digester, in which the inner and outer reaction units are open, serves as a headspace for collecting the biogas produced by the anaerobic digestion of the organic solids. A gas outlet for discharging the biogas collected in the headspace is installed to direct the biogas outside of the anaerobic digestion reactor.

Der konstruierte anaerobe Vergärungsreaktor zeichnet sich durch abwechselnd wiederholten Flüssigkeitstransport durch den Impulsmischer bei geschlossenem Flüssigkeitsrückflussventil und den Flüssigkeitstransport durch das Flüssigkeitsrückflussrohr durch die Wasserspiegeldifferenz bei geöffnetem Flüssigkeitsrückflussventil nach Stoppen des Impulsmischers aus.The designed anaerobic digestion reactor is characterized by alternately repeated liquid transport through the pulse mixer with the liquid return valve closed and liquid transport through the liquid return pipe by the water level difference with the liquid return valve open after stopping the pulse mixer.

In diesem Fall wird der Säureproduktionsschritt während des anaeroben Abbaus von organischen Feststoffen vorzugsweise in der inneren anaeroben Reaktionseinheit durchgeführt, und der Methanproduktionsschritt während des anaeroben Abbaus von organischen Feststoffen wird in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit durchgeführt. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese geteilten Reaktionseinheiten die optimalen Betriebsbedingungen für die effiziente Produktion von Biogas schaffen.In this case, preferably, the acid production step during anaerobic decomposition of organic solids is performed in the indoor anaerobic reaction unit, and the methane production step during anaerobic decomposition of organic solids is performed in the outdoor anaerobic reaction unit. It can be assumed that these divided reaction units create the optimal operating conditions for the efficient production of biogas.

Das Verhältnis der effektiven Volumina der inneren und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit wird für die Auslegungskonfiguration mit 1:1 vorgeschlagen. Es kann jedoch in Abhängigkeit von der Eigenschaft des organischen Feststoffs, der durch die anaeroben Mikroorganismen abgebaut werden soll, angepasst werden. Genauer gesagt, wenn die Abbaurate des organischen Feststoffs zu einer intermediären organischen Säure hoch ist, kann das effektive Volumen der inneren anaeroben Reaktionseinheit, in der der Säureproduktionsschritt durchgeführt wird, verringert werden. Vorzugsweise kann das Verhältnis der wirksamen Volumina des inneren anaeroben Reaktionsabschnitts und des äußeren anaeroben Reaktionsabschnitts auf bis zu 0,2:1 reduziert werden.The ratio of the effective volumes of the inner and outer anaerobic reaction units is suggested to be 1:1 for the design configuration. However, it can be adjusted depending on the property of the organic solid to be decomposed by the anaerobic microorganisms. More specifically, when the decomposition rate of the organic solid into an intermediate organic acid is high, the effective volume of the internal anaerobic reaction unit in which the acid production step is carried out can be reduced. Preferably, the ratio of the effective volumes of the inner anaerobic reaction section and the outer anaerobic reaction section can be reduced up to 0.2:1.

Das andere Merkmal der Konstruktionskonfiguration umfasst das Vorsehen eines Sedimentationskegels für Störstoffe am Boden der inneren anaeroben Reaktionseinheit. Dadurch werden die durch das Zulaufrohr in die inneren Reaktoreinheit eingebrachten Störstoffe mit hoher spezifischer Dichte (z. B. Glas, Sand, Metalle) abgesetzt und sofort aus dem System entfernt. Die Konstruktion des Zulaufrohres für organische Feststoffe wird bis zum Rand des Sedimentationskegels in der inneren anaeroben Reaktionseinheit verlängert.The other feature of the design configuration includes the provision of a sedimentation cone for impurities at the bottom of the inner anaerobic reaction unit. As a result, the impurities with a high specific density (e.g. glass, sand, metals) introduced through the feed pipe into the inner reactor unit are deposited and immediately removed from the system. The design of the organic solids feed pipe is extended to the edge of the sedimentation cone in the inner anaerobic reaction unit.

Auswirkungen der ErfindungEffects of the invention

Der anaerobe Faulbehälter gemäß der vorliegenden Erfindung ist in eine innere anaerobe Reaktionseinheit und eine äußere anaerobe Reaktionseinheit unterteilt, indem ein innerer zylindrischer Behälter innerhalb eines anaeroben Vergärungsreaktors installiert wird, der aus einem einzigen abgedichteten schlanken Hochbehälter besteht. Die in die innere anaerobe Reaktionseinheit zugegebene organischen Feststoffe bewegen sich als Pfropfenstrom der Flüssigkeit zur äußeren Reaktionseinheit. Dadurch wird die Verweilzeit von organischen Feststoffen und Anaerobiern im anaeroben Faulbehälter verlängert, die anaerobe Abbaurate von organischen Feststoffen verbessert und die Produktion von Biogas erhöht.The anaerobic digester according to the present invention is divided into an inner anaerobic reaction unit and an outer anaerobic reaction unit by installing an inner cylindrical tank inside an anaerobic digestion reactor composed of a single sealed overhead slender tank. The organic solids fed into the inner anaerobic reaction unit move to the outer reaction unit as a plug flow of liquid. This increases the residence time of organic solids and anaerobes in the anaerobic digester, improves the anaerobic degradation rate of organic solids and increases the production of biogas.

Eine vorbestimmte Menge der Flüssigkeit in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit wird durch den Impulsmischer zu der inneren anaeroben Reaktionseinheit übertragen, und die Flüssigkeit in der inneren anaeroben Reaktionseinheit wird durch aufgrund des Unterschieds des Wasserspiegels, welcher zu diesem Zeitpunkt gebildet wird, durch das Flüssigkeitsrückflussrohr zu der äußeren anaeroben Reaktionseinheit übertragen. Zusätzlich zur Verlängerung der Verweilzeit von organischen Feststoffen und anaeroben Mikroorganismen in dem anaeroben Vergärungsreaktor gemäß dieser sich wiederholenden Flüssigkeitsbewegung passieren die Aufwärts- und Abwärtsströme die Mischimpuls-Lochplatten in den inneren und äußeren anaeroben Reaktionseinheiten und erzeugten in den mehrfachen Perforationen hohe Strömungsgeschwindigkeiten zur Erzeugung von Strahlscherkräften, die zu einer vollständigen Durchmischung der organischen Feststoffe und anaeroben Mikroorganismen, einer vollständige Durchmischung ohne Totzonen, zu einer Steigerung der Vergärungseffizienz von organischen Feststoffen und der Biogasproduktion führen.A predetermined amount of the liquid in the outer anaerobic reaction unit is transferred to the inner anaerobic reaction unit through the pulse mixer, and the liquid in the inner anaerobic reaction unit is drained through the liquid reflux pipe to the outer due to the difference in water level formed at that time anaerobic Transfer reaction unit. In addition to increasing the residence time of organic solids and anaerobic microorganisms in the anaerobic digestion reactor according to this repetitive liquid movement, the up and down flows pass through the mixing pulse perforated plates in the inner and outer anaerobic reaction units and generated high flow velocities in the multiple perforations to generate jet shear forces, which lead to complete mixing of the organic solids and anaerobic microorganisms, complete mixing without dead zones, to an increase in the fermentation efficiency of organic solids and biogas production.

Außerdem können der Säureproduktionsschritt und der Methanproduktionsschritt der anaeroben Vergärung, die sich in den Wachstumsbedingungen von Anaerobiern in der getrennten inneren anaeroben Reaktionseinheit und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit des anaeroben Reaktorbehälters unterscheiden, getrennt durchgeführt werden, so dass jede dieser Reaktionen der anaeroben Vergärung effektiv stattfindet, um Biogas zu produzieren.In addition, the acid production step and the methane production step of the anaerobic digestion, which differ in the growth conditions of anaerobes in the separate inner anaerobic reaction unit and the outer anaerobic reaction unit of the anaerobic reactor vessel, can be carried out separately, so that each of these anaerobic digestion reactions takes place effectively to to produce biogas.

Außerdem besteht der anaerobe Reaktor der vorliegenden Erfindung aus einem einzelnen integralen geschlossenen Behälter mit zwei getrennten Reaktionseinheiten und erfordert keine separate Rührvorrichtung, so dass es möglich ist, Konstruktions- und Betriebskosten zu reduzieren, die Installationsfläche zu reduzieren und die Wartungsarbeiten zu vereinfachen.In addition, the anaerobic reactor of the present invention consists of a single integral closed vessel with two separate reaction units and does not require a separate stirring device, so it is possible to reduce the construction and running costs, reduce the installation area, and simplify the maintenance work.

Figurenlistecharacter list

Fig. 12 shows a cross-sectional view of an anaerobic digestion apparatus according to the embodiment of the present invention.
shows a mixing and flow path of the liquids and the organic solids of the in configured, newly designed anaerobic fermentation reactor for biogas production.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher beschrieben.The present invention is described in more detail below with reference to the schematic drawings.

zeigt eine Querschnittsansicht einer anaeroben Vergärungsapparatur gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 12 shows a cross-sectional view of an anaerobic digestion apparatus according to the embodiment of the present invention.

Bezugnehmend auf besteht die anaerobe Vergärungsapparatur der vorliegenden Erfindung aus einem anaeroben Vergärungsreaktor (100) in Form eines abgedichteten Hochbehälters. Der anaerobe Vergärungsreaktor (100) ist ein Behälter mit einer längeren vertikalen Länge mit einem Verhältnis von Durchmesser und Höhe von 1:2 oder weniger und kann einen luftdichten Zustand aufrechterhalten, so dass Luft nicht von außen in den Behälter strömt und die anaerobe Reaktion der Mikroorganismen stört. Der anaerobe Vergärungsreaktor (100) ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die organische Feststoffe und anaerobe Mikroorganismen enthält, welche die anaerobe Vergärung einschließlich Säure- und Methanproduktion vornehmen.Referring to the anaerobic digestion apparatus of the present invention consists of an anaerobic digestion reactor (100) in the form of a sealed overhead tank. The anaerobic digestion reactor (100) is a tank having a longer vertical length with a diameter to height ratio of 1:2 or less, and can maintain an airtight state so that air does not flow into the tank from the outside and the anaerobic reaction of microorganisms disturbs. The anaerobic digestion reactor (100) is filled with a liquid containing organic solids and anaerobic microorganisms which perform anaerobic digestion including acid and methane production.

Dazu weist der anaerobe Vergärungsreaktor (100) einen äußeren zylindrischen Behälter (2) auf, der die äußere Form des Reaktors bildet, und mit dem vertikal installierten inneren Behälter, der als innerer zylindrischer Behälter (1) bezeichnet wird, wodurch der Reaktor in eine innere (1') und eine äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') unterteilt wird.To do this, the anaerobic digestion reactor (100) has an outer cylindrical vessel (2) forming the outer shape of the reactor and with the inner vessel, referred to as the inner cylindrical vessel (1), installed vertically, dividing the reactor into an inner (1') and an outer anaerobic reaction unit (2').

Die innere anaerobe Reaktionseinheit (1') ist mit einem Substrat-Zulaufrohr (7) zum Einbringen organischer Feststoffe versehen, und die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') ist mit einem Gärrest-Ablaufrohr (8) zum Abführen des aufgeschlossenen Materials verbunden. In der dargestellten Ausführung ist das Substrat-Zulaufrohr (7) am unteren Ende der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') vorgesehen und das Gärrest-Ablaufrohr (8) mit der Wasseroberfläche der äußeren anaeroben Reaktionseinheit verbunden (2').The inner anaerobic reaction unit (1') is provided with a substrate feed pipe (7) for introducing organic solids, and the outer anaerobic reaction unit (2') is connected with a digestate discharge pipe (8) for discharging the digested material. In the illustrated embodiment, the substrate inlet pipe (7) is provided at the lower end of the inner anaerobic reaction unit (1') and the digestate outlet pipe (8) is connected to the water surface of the outer anaerobic reaction unit (2').

Der innere zylindrische Behälter (1) ist im äußeren zylindrischen Behälter (2) vertikal installiert, so dass der obere Teil zum Gasraum (11) offen ist, welcher ein Gas-Austrittsrohr (12) aufweist zum Ableiten des durch die anaerobe Vergärung erzeugten Biogases.The inner cylindrical tank (1) is installed in the outer cylindrical tank (2) vertically so that the upper part is open to the gas room (11) which has a gas outlet pipe (12) for discharging the biogas produced by the anaerobic digestion.

Ein Flüssigkeitsrückflussrohr (6), das niedriger ist als die Höhe des inneren zylindrischen Behälters (1), ist vertikal in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') installiert, und das Flüssigkeitsrückflussrohr (6) führt zu der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2'), so dass die Flüssigkeit und die anaeroben Mikroorganismen in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') in die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') transferiert werden können. Zusätzlich ist das Flüssigkeitsrückflussrohr (6) mit einem Flüssigkeitsrückflussventil (4) zum regulierten Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsrückflussrohr (6) versehen.A liquid reflux pipe (6) lower than the height of the inner cylindrical container (1) is installed vertically in the inner anaerobic reaction unit (1'), and the liquid reflux pipe (6) leads to the outer anaerobic reaction unit (2'), so that the liquid and the anaerobic microorganisms in the inner anaerobic reaction unit (1') can be transferred to the outer anaerobic reaction unit (2'). In addition, the liquid return pipe (6) is provided with a liquid return valve (4) for opening and closing the liquid return pipe (6) in a regulated manner.

In der dargestellten Konfiguration kann die Höhe des Flüssigkeitsrückflussrohrs (6) in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') zwischen 314 der Höhe des inneren zylindrischen Behälters (1) und direkt unterhalb der Wasseroberfläche eingestellt werden. Außerdem beträgt die Höhe des Flüssigkeitsrückflussrohrs (6) in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') vorzugsweise 0,8 bis 1,5 m über dem Boden.In the configuration shown, the height of the liquid reflux tube (6) in the inner anaerobic reaction unit (1') can be between 314 the height of the inner cylindrical container (1) and just below the water surface be provided. In addition, the height of the liquid reflux pipe (6) in the outdoor anaerobic reaction unit (2') is preferably 0.8 to 1.5 m above the floor.

Die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2) ist mit einem Impulsmischer (3) zum Transport der Flüssigkeit von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2) zur inneren anaeroben Reaktionseinheit (1) versehen. Der Impulsmischer (3) kann aus einer Pumpe bestehen.The outer anaerobic reaction unit (2) is provided with an impulse mixer (3) for transporting the liquid from the outer anaerobic reaction unit (2) to the inner anaerobic reaction unit (1). The impulse mixer (3) can consist of a pump.

In der inneren (1) und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2) des Vergärungsreaktors (100) sind Mischimpuls-Lochplatten (5) horizontal eingebaut. Dementsprechend können diese in drei oder mehr Stufen in vorbestimmten Intervallen installiert werden. Der Abstand der Mischimpuls-Lochplatten (5) liegt vorzugsweise innerhalb von maximal 4 m. Perforationen sind gleichmäßig in den Mischimpuls-Lochplatten (5) angeordnet, und die Größe der Perforationen muss so sein, dass ein aufwärts oder abwärts gerichteter Flüssigkeitsstrom mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit hindurchtritt, um Flüssigkeitsstrahlen zu bilden. Vorzugsweise liegt die Gesamtfläche der Perforationen der Lochplatten unterhalb von 40 % der Querschnittsfläche. Die Form jeder Perforation kann kreisförmig oder quadratisch sein.In the inner (1) and the outer anaerobic reaction unit (2) of the fermentation reactor (100) mixing impulse perforated plates (5) are installed horizontally. Accordingly, these can be installed in three or more stages at predetermined intervals. The pitch of the mixing pulse perforated plates (5) is preferably within 4 m at most. Perforations are evenly arranged in the mixing pulse perforated plates (5), and the size of the perforations must be such that an upward or downward liquid flow with a high flow rate passes to form liquid jets. The total area of the perforations of the perforated plates is preferably less than 40% of the cross-sectional area. The shape of each perforation can be circular or square.

Das heißt, der anaerobe Vergärungsreaktor (100) besteht aus einem integrierten Behälter, der in eine innere anaerobe Reaktionseinheit (1') und eine äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') unterteilt ist, einschließlich eines äußeren zylindrischen Behälters (2) und eines inneren zylindrischen Behälters (1). Wenn die Flüssigkeit, die organische Feststoffe und anaerobe Mikroorganismen enthält, in den inneren zylindrischen Behälter (1) gefüllt wird, der durch die organischen Feststoffe durch das Substrat-Zulaufrohr (7) versorgt wird, wird die Flüssigkeit durch das Flüssigkeitsrückflussrohr (6) von der inneren anaerobe Reaktionseinheit (1') nach der zugehörigen Verweilzeit in die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') überführt. Wenn der Impulsmischer (3) in einem Zustand betrieben wird, in dem das Flüssigkeitsrückflussventil (4) geschlossen ist, um eine vorbestimmte Flüssigkeitsmenge von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') zu der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') zu überführen, dann tritt ein Abwärtsfluss der Flüssigkeit in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') und ein Aufwärtsfluss der Flüssigkeit in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') auf, wobei die Flüssigkeit durch die Vielzahl von Perforationen der Mischimpuls-Lochplatten (5) mit hoher Geschwindigkeit strömt. Durch diese Bewegung werden also die organischen Feststoffe in der Flüssigkeit und die anaeroben Mikroorganismen durch die Scherkräfte gleichmäßig vermischt und es entsteht ein Wasserspiegelunterschied zwischen der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2'). Wenn dann das Flüssigkeitsrückflussventil (4) geöffnet wird, fließt die Flüssigkeit von der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') zu der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') durch das Flüssigkeitsrückflussrohr (6) aufgrund des Wasserspiegelunterschieds zwischen der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') und die äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') ohne weitere Energiezufuhr. Die Flüssigkeit in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') strömt schnell durch die Perforationen der Mischimpuls-Lochplatten (5), was aufgrund des an den Löchern der Platten erzeugten Flüssigkeitsstrahlimpulses zu einem effizienten Mischen der Flüssigkeit führt. Die durch den Betrieb des Impulsmischers (3) übertragene Flüssigkeitsmenge beträgt vorzugsweise 5 % oder weniger des effektiven Volumens der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2').That is, the anaerobic digestion reactor (100) consists of an integrated vessel divided into an inner anaerobic reaction unit (1') and an outer anaerobic reaction unit (2'), including an outer cylindrical vessel (2) and an inner cylindrical vessel (1). When the liquid containing organic solids and anaerobic microorganisms is filled into the inner cylindrical tank (1) supplied by the organic solids through the substrate feed pipe (7), the liquid is discharged through the liquid return pipe (6) from the inner anaerobic reaction unit (1') is transferred to the outer anaerobic reaction unit (2') after the associated residence time. When the pulse mixer (3) is operated in a state where the liquid reflux valve (4) is closed to transfer a predetermined amount of liquid from the outer anaerobic reaction unit (2') to the inner anaerobic reaction unit (1'), then occurs downward flow of liquid in the outer anaerobic reaction unit (2') and upward flow of liquid in the inner anaerobic reaction unit (1'), the liquid flowing through the plurality of perforations of the mixing pulse perforated plates (5) at high speed. Through this movement, the organic solids in the liquid and the anaerobic microorganisms are evenly mixed by the shear forces and a water level difference arises between the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (2'). Then, when the liquid reflux valve (4) is opened, the liquid flows from the inner anaerobic reaction unit (1') to the outer anaerobic reaction unit (2') through the liquid reflux pipe (6) due to the water level difference between the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (2') without further supply of energy. The liquid in the outer anaerobic reaction unit (2') flows rapidly through the perforations of the mixing pulse perforated plates (5), resulting in efficient mixing of the liquid due to the liquid jet momentum generated at the perforations of the plates. The amount of liquid transferred by the operation of the pulse mixer (3) is preferably 5% or less of the effective volume of the external anaerobic reaction unit (2').

Auf diese Weise wird der anaerobe Vergärungsreaktor (100) in eine innere anaerobe Reaktionseinheit (1') und eine äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') unterteilt, so dass die Flüssigkeit sowohl die innere anaerobe Reaktionseinheit (1') als auch die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') durchläuft. Außerdem hat die Verweilzeitverteilung der organischen Feststoffe und der anaeroben Mikroorganismen im Reaktor (100) die Eigenschaft eines Pfropfenstroms mit einem langen Bewegungsweg der Flüssigkeit zwischen der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2'), zusammen mit dem gleichmäßigen Mischen aufgrund des Vorhandenseins eines Impulsmischens durch die Lochplatten (5).In this way, the anaerobic digestion reactor (100) is divided into an inner anaerobic reaction unit (1') and an outer anaerobic reaction unit (2'), so that the liquid flows through both the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (1'). 2') runs through. In addition, the residence time distribution of the organic solids and the anaerobic microorganisms in the reactor (100) has the property of a plug flow with a long liquid movement path between the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (2'), together with the uniform mixing due to the presence of impulse mixing by the perforated plates (5).

Die Übertragung von Flüssigkeit von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') zur inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') durch den Betrieb des Impulsmischers (3) und die Übertragung von Flüssigkeit zurück von der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') zur äußere anaeroben Reaktionseinheit (2') durch das Rücklaufrohr (6) werden mehrmals wiederholt, damit die organischen Feststoffe länger im Reaktor verbleiben und so für ihren maximalen Aufschluss vollständig gemischt werden.The transfer of liquid from the outer anaerobic reaction unit (2') to the inner anaerobic reaction unit (1') by the operation of the pulse mixer (3) and the transfer of liquid back from the inner anaerobic reaction unit (1') to the outer anaerobic reaction unit (2 ') through the downcomer (6) are repeated several times to allow the organic solids to remain in the reactor longer and so be fully mixed for their maximum digestion.

Außerdem haben die innere anaerobe Reaktionseinheit (1') und die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') jeweils unterschiedliche Wachstumsbedingungen für die Mikroorganismen, so dass in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1'), vorzugsweise der Versäuerungsschritt stattfindet, und die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2') so konfiguriert ist, dass sie den Methanerzeugungsschritt während der anaeroben Faulung durchführt. Mit anderen Worten, um einen optimalen Zustand zu schaffen, findet der Versäuerungsschritt in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') und der Methanerzeugungsschritt in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') statt.In addition, the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (2') each have different growth conditions for the microorganisms, so that in the inner anaerobic reaction unit (1'), the acidification step preferably takes place, and the outer anaerobic reaction unit (2 ') is configured to perform the methane generation step during anaerobic digestion. In other words, to create an optimal state, the acidification step takes place in the inner anaerobic reaction unit (1') and the methane genera ment step in the outer anaerobic reaction unit (2').

Das Verhältnis des Nutzvolumens der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1) und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2) beträgt etwa 1:1. Das effektive Volumen ist dabei das von der Flüssigkeit eingenommene Volumen, in dem die Vergärungsreaktion stattfindet.The ratio of the useful volume of the inner anaerobic reaction unit (1) and the outer anaerobic reaction unit (2) is about 1:1. The effective volume is the volume occupied by the liquid in which the fermentation reaction takes place.

Wenn die dem anaeroben Vergärungsreaktor (100) zugeführten organischen Feststoffe in der inneren anaeroben Reaktoreinheit (1') leicht zu organischen Säuren zersetzt werden können, sollte das Verhältnis des effektiven Volumens der inneren anaeroben Reaktoreinheit (1') zur äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') auf 0,2:1 reduziert werden.If the organic solids fed to the anaerobic digestion reactor (100) can be easily decomposed into organic acids in the inner anaerobic reactor unit (1'), the ratio of the effective volume of the inner anaerobic reactor unit (1') to the outer anaerobic reaction unit (2') should be be reduced to 0.2:1.

Darüber hinaus ist in der konfigurierten Konstruktion dargestellt, dass ein Sedimentationskegel (9) am Boden der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') eingebaut ist und dass das Substrat-Zulaufrohr (7) bis hin zur Innenkante des Sedimentationskegels (9) verlängert ausgebildet ist. Somit werden die Sedimente mit hoher spezifischer Dichte, die durch das Substrat-Zulaufrohr (7) in den inneren anaeroben Behälter eingeführt werden, ausgefällt und durch das Sediment-Ablaufrohr (10) aus dem System entfernt. Dadurch wird verhindert, dass sich im Innenreaktor Verunreinigungen ansammeln, die zu einer Verringerung des Nutzvolumens der Reaktionseinheit führen würden.In addition, the configured construction shows that a sedimentation cone (9) is installed at the bottom of the inner anaerobic reaction unit (1') and that the substrate feed pipe (7) is extended to the inner edge of the sedimentation cone (9). Thus, the high specific gravity sediments introduced into the inner anaerobic tank through the substrate inlet pipe (7) are precipitated and removed out of the system through the sediment outlet pipe (10). This prevents impurities from accumulating in the inner reactor, which would lead to a reduction in the usable volume of the reaction unit.

zeigt einen Misch- und Strömungsweg der Flüssigkeiten und der organischen Feststoffe des in konfigurierten, neu konzipierten anaeroben Vergärungsreaktors shows a mixing and flow path of the liquids and the organic solids of the in configured, newly designed anaerobic digestion reactor

Wenn die Flüssigkeit, die die organische Feststoffe und anaerobe Mikroorganismen enthält, wie gezeigt, dem unteren Ende des inneren zylindrischen Behälters (1) durch das Substrat-Zulaufrohr (7) zugeführt wird, setzen sich feine Verunreinigungen und Feststoffe mit großer spezifischer Dichte im Sedimentationskegel (9) ab und werden durch das Sedimentablaufrohr (10) abgeführt. Wenn das Substrat in die innere anaerobe Reaktionseinheit (1) gefüllt wird, findet zuerst der Versäuerungsschritt der anaeroben Vergärung statt, und die aus den organischen Feststoffen erzeugte organische Säure sowie die Flüssigkeit, die nicht zersetzte organische Feststoffe enthält, werden in die äußere anaerobe Reaktionseinheit (2) unter Verwendung des Flüssigkeitsrückflussrohrs (6) transferiert. Der Methanerzeugungsschritt der anaeroben Vergärung findet in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2) statt.As shown, when the liquid containing the organic solids and anaerobic microorganisms is fed to the lower end of the inner cylindrical tank (1) through the substrate feed pipe (7), fine impurities and solids with large specific gravity settle in the sedimentation cone ( 9) and are discharged through the sediment drain pipe (10). When the substrate is filled into the inner anaerobic reaction unit (1), the acidification step of anaerobic digestion takes place first, and the organic acid generated from the organic solids and the liquid containing undecomposed organic solids are fed into the outer anaerobic reaction unit ( 2) transferred using the liquid reflux tube (6). The methane production step of anaerobic digestion takes place in the outer anaerobic reaction unit (2).

Zu diesem Zeitpunkt wird der Impulsmischer (3) betrieben, während das Flüssigkeitsrückflussventil (4) geschlossen wird, um eine vorbestimmte Flüssigkeitsmenge von der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') in die innere anaeroben Reaktionseinheit (1') zu übertragen, wodurch ein Flüssigkeitsstrom in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') nach unten erfolgt und ein Flüssigkeitsstrom in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') nach oben erfolgt, so dass die Flüssigkeit mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen der Mischimpuls-Lochplatten (5) strömt. Beim Durchgang werden die Flüssigkeit, die organischen Feststoffe und die anaeroben Mikroorganismen durch die Scherkraft des Flüssigkeitsstrahls gleichmäßig gemischt, und zwischen der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') wird ein Wasserspiegelunterschied erzeugt.At this time, the pulse mixer (3) is operated while the liquid reflux valve (4) is closed to transfer a predetermined amount of liquid from the outer anaerobic reaction unit (2') to the inner anaerobic reaction unit (1'), thereby causing a liquid flow in the outer anaerobic reaction unit (2') takes place downwards and a liquid flow in the inner anaerobic reaction unit (1') takes place upwards, so that the liquid flows through the perforations of the mixing pulse perforated plates (5) at a high flow rate. Upon passage, the liquid, organic solids and anaerobic microorganisms are uniformly mixed by the shearing force of the liquid jet, and a water level difference is generated between the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (2').

Wenn danach das Flüssigkeitsrückflussventil (4) wieder geöffnet wird, fließt die Flüssigkeit von der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') aufgrund des höheren Wasserspiegels durch das Flüssigkeitsrückflussrohr (6) zur äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') zurück. Da in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') eine Aufwärtsströmung der Flüssigkeit auftritt und in der inneren anaeroben Einheit (1') eine Abwärtsströmung der Flüssigkeit auftritt, wird die Flüssigkeit vollständig gemischt, während sie durch die Perforationen der Mischimpuls-Lochpatten (5) mit hoher Strömungsgeschwindigkeit fließt.Thereafter, when the liquid reflux valve (4) is opened again, the liquid flows back from the inner anaerobic reaction unit (1') to the outer anaerobic reaction unit (2') through the liquid reflux pipe (6) due to the higher water level. Since an upward flow of liquid occurs in the outer anaerobic reaction unit (2') and a downward flow of liquid occurs in the inner anaerobic unit (1'), the liquid is completely mixed while passing through the perforations of the mixing pulse perforated plates (5). high flow rate flows.

Auf diese Weise wird mehrmals wiederholt die Flüssigkeit durch die Betätigung des Impulsmischers (3) im geschlossenen Zustand des Rücklaufventils (4) und durch die natürliche Strömung durch das Rücklaufrohr (6) überführt. Durch den geöffneten Zustand des Flüssigkeitsrückflussventils (4) kann der Stoffaustausch zwischen den organischen Feststoffen und den anaeroben Mikroorganismen im Reaktor ausreichend gesteigert werden. Außerdem sorgt dieser sich wiederholende Vorgang für ein gleichmäßiges Mischen ohne Totzonen im Reaktor.In this way, the liquid is repeatedly transferred several times by the operation of the pulse mixer (3) in the closed state of the return valve (4) and by the natural flow through the return pipe (6). With the liquid reflux valve (4) open, the mass transfer between the organic solids and the anaerobic microorganisms in the reactor can be sufficiently increased. In addition, this repetitive process ensures uniform mixing with no dead zones in the reactor.

Die in der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') ausreichend vergorene Flüssigkeit wird über das Gärrestablaufrohr (8) abgeführt und das bei der anaeroben Vergärung entstehende Biogas wird im Gasraum (11) gesammelt und zur Verwertung durch das Gasaustrittsrohr (12) abgeleitet.The liquid sufficiently fermented in the outer anaerobic reaction unit (2') is discharged via the fermentation residue discharge pipe (8) and the biogas produced during anaerobic fermentation is collected in the gas space (11) and discharged through the gas outlet pipe (12) for use.

Wie oben beschrieben, bewegt sich in dem integrierten anaeroben Vergärungsreaktor (100) eine Flüssigkeit, die organische Feststoffe und anaerobe Mikroorganismen enthält, wiederholt zwischen der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') entsprechend der Charakteristik einer Pfropfenströmung. Diese Bewegung der Flüssigkeit zwischen inneren und äußeren Reaktionseinheiten verlängert die Verweilzeit von noch nicht aufgeschlossenen organischen Feststoffen mit anaeroben Mikroorganismen im Reaktor erheblich und führt zu einer effizienten Durchmischung von organischen Feststoffen und anaeroben Mikroorganismen durch die abwechselnde Impulsmischung über die Mischimpuls-Lochplatten (5). Auch die Säureproduktion und der methanogene Schritt der anaeroben Faulung werden optimalerweise separat in der inneren anaeroben Reaktionseinheit (1') und der äußeren anaeroben Reaktionseinheit (2') durchgeführt. Es ist daher zu erwarten, dass die Implementierung dieser Designkonfiguration die Biogasproduktion und die Rate des anaeroben Abbaus organischer Feststoffe maximiert.As described above, in the integrated anaerobic digestion reactor (100), a liquid containing organic solids and anaerobic microorganisms repeatedly moves between the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (2') according to a plug flow characteristic. This movement of liquid between inner and outer reaction units increases the residence time of those not yet digested organic solids with anaerobic microorganisms in the reactor and leads to an efficient mixing of organic solids and anaerobic microorganisms through the alternating impulse mixing via the mixing impulse perforated plates (5). Also the acid production and the methanogenic step of the anaerobic digestion are optimally carried out separately in the inner anaerobic reaction unit (1') and the outer anaerobic reaction unit (2'). It is therefore expected that the implementation of this design configuration will maximize biogas production and the rate of anaerobic degradation of organic solids.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oben dargestellt und beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Modifikationen können von Fachleuten durchgeführt werden, ohne von der Konfiguration der beanspruchten vorliegenden Erfindung abzuweichen.Although the preferred embodiment of the present invention has been illustrated and described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the configuration of the present invention as claimed.

BezugszeichenlisteReference List

100100: Anaerober VergärungsreaktorAnaerobic digestion reactor
11: Innerer zylindrischer BehälterInner cylindrical container
1'1': Innere anaerobe ReaktionseinheitInner anaerobic reaction unit
22: Äußerer zylindrischer BehälterOuter cylindrical container
2'2': Äußere anaerobe ReaktionseinheitExternal anaerobic reaction unit
33: Impulsmischerpulse mixer
44: Flüssigkeitsrückflussventilliquid return valve
55: Mischimpuls-LochplatteMixed impulse perforated plate
66: Flüssigkeitsrückflussrohrliquid return tube
77: Substrat-Zulaufrohrsubstrate feed tube
88th: Gärrest-AblaufrohrDigestate drain pipe
99: Sedimentationskegelsedimentation cone
1010: Sediment-Ablaufrohrsediment drain pipe
1111: Gasraumgas space
1212: Gas-Austrittsrohrgas outlet tube

Claims

A process for producing biogas from organic solids using anaerobic microorganisms, in which an anaerobic digestion reactor consists of a sealed outer cylindrical vessel and an inner cylindrical vessel installed vertically inside the outer cylindrical vessel to insert the outer cylindrical vessel into an inner anaerobic reaction unit and an outer anaerobic reaction unit, in which a liquid reflux pipe installed vertically with respect to the diameter of the inner cylindrical vessel lower than the height of the inner cylindrical vessel of the inner anaerobic reaction unit to provide the path for the liquid to flow from the inner reaction unit comes to the outer reaction unit; in which a liquid return valve that controls the opening and closing of the liquid return pipe; and a pulse mixer for transferring liquid from the outdoor anaerobic reaction unit to the indoor anaerobic reaction unit are installed, characterized in that the liquid is transferred from the outdoor anaerobic reaction unit to the indoor by operation of the pulse mixer in a state where the liquid reflux valve is closed anaerobic reaction unit and then flows back through the liquid reflux pipe from the inner anaerobic reaction unit to the outer anaerobic reaction unit by the water level difference between the two reaction units in a state where the liquid reflux valve is opened, so that the liquid containing organic solids and microorganisms in the reactor is effectively mixed will.

A procedure after claim 1 , which is characterized in that one or more perforated mixing pulse perforated plates with a plurality of perforations are installed horizontally above the outer anaerobic reaction unit and the inner anaerobic reaction unit of the anaerobic digestion reactor, and thereby when the liquid from the outer anaerobic reaction unit to the inner anaerobic reaction unit is transferred by the operation of the pulse mixer, downward flow of liquid occurs in the outer anaerobic reaction unit and upward flow of liquid occurs in the inner anaerobic reaction unit, it flows through the multi-perforations of the mixing pulse perforated plates, and so organic solids and anaerobic microorganisms in the whole reactor are mixed, and thereby when the liquid is transferred from the inner anaerobic reaction unit to the outer anaerobic reaction unit by opening the liquid reflux valve, e downward flow of liquid occurs in the inner anaerobic reaction unit and upward flow of liquid occurs in the outer anaerobic reaction unit, it flows through the multi-perforations of the mixing pulse perforated plates, thus mixing organic solids and anaerobic microorganisms throughout the reactor,

A procedure after claim 2 , which is characterized in that the Mischim pulse perforated plates are installed in three or more stages at predetermined intervals along the height of the anaerobic digestion reactor, the plurality of perforations are evenly arranged on the pulse mixing perforated plate, the total area of the perforations is below 40% of the cross-sectional area of the pulse mixing perforated plate, and each perforation has a circular or rectangular shape.

A method according to one of Claims 1 until 3 , which is characterized in that the inner anaerobic reaction unit is provided with a substrate feed pipe for introducing the organic solids and the outer anaerobic reaction unit has a digestate discharge pipe for discharging the digestate from the anaerobic digestion reactor.

A method according to one of Claims 1 until 3 , which is characterized in that in the outer cylindrical container, the inner cylindrical container is installed vertically so that the upper part is opened, and at the upper end of the anaerobic digestion reactor, the outer cylindrical container and the inner cylindrical container are opened, creating a gas space for collecting biogas from the anaerobic fermentation of organic solids and installing the gas outlet pipe for discharging the collected biogas from the anaerobic digestion reactor.

A method according to one of Claims 1 until 3 which is characterized in that the amount of liquid transferred by the operation of the pulse mixer is 5% or less of the effective volume of the external anaerobic reaction unit.

A method according to one of Claims 1 until 3 , which is characterized in that the height of the liquid reflux tube in the inner anaerobic reaction unit is at least 314 of the height of the inner cylindrical container above the bottom of the inner anaerobic reaction unit, and in that the height of the liquid reflux tube in the outer anaerobic reaction unit is 0.8 to 1.5 m above the floor of the outer anaerobic reaction unit.

A method according to one of Claims 1 until 3 which is characterized in that the transfer of the liquid by the operation of the pulse mixer and the return of the liquid through the liquid return pipe by means of the water level difference are repeated a number of times alternately.

A method according to one of Claims 1 until 3 , which is characterized in that the inner anaerobic reaction unit mainly performs an acidification step to convert organic solids into organic acids, and the outer anaerobic reaction unit performs a methane generation step to convert organic acids into biogas.

A method according to one of Claims 1 until 3 which is characterized in that the ratio of the effective volume of the inner anaerobic reaction unit and the effective volume of the outer anaerobic reaction unit is 1:1 to 0.2:1.

A procedure after claim 4 , which is characterized in that a sedimentation cone is installed at the bottom of the inner anaerobic reaction unit, and the substrate organic solids inflow pipe extends from the lower end of the inner anaerobic reaction unit to the inner edge of the sedimentation cone, and thus impurities that have passed through the substrate Feed pipe are fed together with the organic solids are precipitated and discharged from the sedimentation cone.