DE19518234A1 - Verfahren zur weitestgehenden Aufbereitung von organischen Reststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur weitestgehenden Aufbereitung von organischen Reststoffen mit Erhöhung der Effizienz des biologischen Feststoffabbaus durch anaerobe und aerobe Verfahrensschritte.

Stand der Technik der anaeroben Fermentation organischer Reststoffe sind die einstufige Trockenfermentation und die einstufige sowie die zweistufige Naßfermentation.

Unter Zweistufigkeit wird ein Verfahren mit separater biologischer Hydrolysestufe verstanden, also von der Methanbildungsstufe getrennt. In dieser Hydrolysestufe vollzieht sich zunächst ein Abbau der Biopolymeren in niedermolekulare Zwischenverbindungen, die dann nach weiteren Abbauschritten in Biogas konvertiert werden.

Mit feststoffreicher Rindergülle konnten in einer großtechnischen Biogasanlage erhöhte Abbauleistungen und Biogasausbeuten für den zweistufigen Betrieb erzielt werden (Vollmer et al., Zur zweistufigen anaeroben Fermentation von Rindergülle. - agrartechnik, Berlin 34 (1984). - S. 510-511). Dabei nahm mit Zunahme des Feststoffanteils die Wirksamkeit der zweistufigen gegenüber der einstufigen Verfahrensführung zu.

Für Einsatzstoffe mit hohem Feststoffanteil ist damit der Abbau dieser Polymeren der Ansatzpunkt für die Erhöhung der Effizienz des biologischen Feststoffabbaus.

Dies zeigten auch Untersuchungen zur Ermittlung der Wirksamkeit der Hydrolyse einer mehrstufigen Versuchsanlage für organische Siedlungsabfälle mit Hilfe spezifischer Bakteriengruppen (Scherer et al. Optimierung der Hydrolysestufe einer mehrstufigen Vergärungsanlage für organische Siedlungsabfälle durch Bilanzierung spezifischer Bakterien­ gruppen. - Wertstofferfassung und Biokompostierung 2 (J. J. Thom´- Kozmiensky, P. A. Scherer, Hrsg.) - S. 273-298, EF-Verlag Berlin (1992)).

In diesem BTA-Verfahren wird eine Biomüllmaische über Zentrifugen entwässert und die Feststofffraktion einem Hydrolysereaktor zugeführt. Die Feststoffe werden dann erneut entwässert und die organischen Inhaltsstoffe der flüssigen Phase in einem Festbettreaktor zu Biogas abgebaut.

Im PAQUES-Verfahren werden ebenfalls die Feststoffe zunächst hydrolysiert, in einem separaten Reaktor (Prethane-Reaktor) angesäuert, wobei schnellösliche Inhaltsstoffe in Lösung gehen. Danach wird entwässert und ein Teil der Feststoffe wieder in den Prethane-Reaktor zurückgeführt. Der andere Teil der Feststoffe wird in einen zweiten Reaktor (Rudad-Reaktor) gefördert, wo mit Hilfe spezifischer Mikroorganismen (Cilaten) die weitere Hydrolyse erfolgt. Die gemeinsamen Hydrolyseprodukte werden dann in einem Methanreaktor zu Biogas umgesetzt (HACK, P.J. und Brinkmann, J., A New Process for High Perfomance Digestion, International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste, Venedig 14.-17. 4. 1992, S. 401-402).

EP 0 566 056 beschreibt ein Verfahren, wo pH-Wert, Feststoffkonzentration und die Feststoffverweilzeit im Gegensatz zur PAQUES-Prozeßführung unabhängig voneinander einstellbar sind. Im ersten Reaktor werden wieder leicht hydrolysierbare organische Stoffe aufgeschlossen, die nichtgelöste organische Substanz in einem zweiten Reaktor einer Feststoffhydrolyse unterzogen und die gemeinsamen Hydrolysate im Biogasreaktor umgesetzt. Zur besseren Separation der gelösten von den nichtgelösten organischen Substanzen werden dem ersten Reaktor entnommene gelöste und nichtgelöste organische Substanzen einer Trennung in eine Feststofffraktion mit den nichtgelösten organischen Substanzen und eine Flüssigfraktion mit den gelösten organischen Substanzen unterzogen. Die höhere Effektivität gegenüber dem PAOUES-Verfahren wird über eine pH-Wert-Steuerung begründet.

Zur Steuerung des pH-Wertes werden dem ersten Reaktor Teilströme direkt entnommen und dem zweiten Reaktor zugeführt, d. h. die ohnehin schon komplizierte Stofführung wird durch weitere zusätzliche Stoffströme noch unübersichtlicher.

Für die genannten Verfahren ist durch das Zwischenschalten von Trennaggregaten ein großer maschinentechnischer Aufwand notwendig.

Im erfindungsgemäßen Verfahren sind diese Maßnahmen zugunsten einer anwenderfreundlichen und betriebskostengünstigen Verfahrens­ gestaltung nicht vorgesehen. Im Gegenteil soll durch das Ineinandergreifen der Verfahrensstufen der Stoffumsatz erhöht und damit gegenüber dem Stand der Technik darstellenden Verfahren eine wesentlich weitere Reduzierung der Feststoffmenge durch höheren Abbau der organischen Trockensubstanz erreicht werden.

Mit den den Stand der Technik repräsentierenden Verfahren wird gegenwärtig ein Abbaugrad zwischen 45 und 65% erreicht (Gesseler, G.: UTECH Berlin, 17. Februar 1995).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art so zu gestalten, daß ohne komplizierten maschinen- und steuerungs­ technischen Aufwand ein gegenüber konventionellen Verfahren erhöhter Feststoffabbau erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Feststoffabbau in 3 Stufen erfolgt.

In einer ersten Stufe im psychrophilen Temperaturbereich wird zunächst eine biologisch-mechanische Stofflösung vorgenommen, d. h. die Hydrolyse der Biopolymeren wird durch intensives Rühren unterstützt.

Der Abbau zellulosehaltiger Inhaltsstoffe kann hier durch die Zugabe spezifischer Enzyme unterstützt werden. Die voraufgeschlossene Maische wird in einer mesophilen Verfahrensstufe dann biologisch weiter aufgeschlossen, d. h. es erfolgt keine Feststoffabtrennung.

Dieser Reaktor wird als Rührkessel betrieben, allerdings im Gegensatz zur ersten Stufe mit weit verringerter Durchmischungsintensität.

Für den Methanreaktor als dritte Stufe wird eine Stofführung gewählt, die die unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten der Inhaltsstoffe der vorbehandelten organischen Reststoffe berücksichtigt d. h. auch hier erfolgt noch ein Feststoffabbau im Gegensatz zu oben aufgeführten Verfahren.

Das Substrat wird einem vertikalen Biogasreaktor im unteren Teil zudosiert. Im Reaktor wird mittels einer Rührvorrichtung eine horizontale Strömung erzeugt, so daß die Feststoffe in einem Strömungsfeld in Schwebe gehalten werden, unlösliche Bestandteile sedimentieren und werden teilmineralisiert periodisch am Reaktorboden entnommen, die feststoffentlastete Flüssigkeit fließt über einen Überlauf aus dem oberen Teil des Reaktors ab.

Damit wird die Verweilzeit von gelösten und schwer lösbaren Substratbestandteilen entkoppelt, womit ein weitgehender Abbau der Feststoffe im Biogasreaktor erfolgt.

Bei der Lösung der Aufgabe werden bekannte Elemente der anaeroben Fermentationstechnik so modifiziert und weiterentwickelt, daß eine unkomplizierte und damit betriebssicher gestaltbare Verfahrensführung resultiert.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein weitestgehender Abbau an organischer Substanz und damit Minimierung des Feststoffaustrages, weil alle Verfahrensstufen primär auf den Feststoffabbau ausgerichtet sind.

Die Abtrennung der Feststoffe aus dem Ablauf des Biogasreaktors erfolgt nach bekannten Verfahren der Festflüssig-Trennung.

Die flüssige Phase kann über eine aerobe Behandlung von organischen Reststoffen weiter entlastet werden, wozu vorzugsweise Belüftungssysteme zum Einsatz kommen, die nach dem Injektorprinzip arbeiten.

Die intensive Belüftung in solchen Systemen führt zur Aktivierung aerober Cellulasebildner, d. h. mit der Rückführung von Prozeßwasser in die erste Stufe werden cellulolytische Enzyme mitgeführt, die zusätzlich organische Substanz aufschließen. Die entstandene biologische Wärme sorgt weiter für eine wesentlich günstigere Wärmebilanz für das Gesamtverfahren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.

Das im Rahmen des Verfahrensbeispiels eingesetzte Substrat entstammt der Biotonne mehrerer Großküchen.

Die Parameter des Ausgangssubstrates konnten unabhängig von der Herkunft der Abfälle wie folgt bestimmt werden:

TS
196,8 ±36,2 g/kg
oTS	168,6 ±26,9 g/kg

Nach Einmaischung mit Prozeßwasser und mechanisch biologischer Vorbehandlung bei quasikontinuierlicher Rührung und 23°C wurden folgende Parameter analysiert:

TS|94,5 ±17 g/l
oTS	79,5 ±14,1 g/l
Karbonsäuren	6400 ±850 mg/l
pH	4,5 ±0,6

Die mittlere hydraulische Verweilzeit in der mesophilen Vorbehandlung ist 5 Tage bei 39°C, der Abbau an organischer Trockensubstanz beträgt in dieser Stufe bereits 45% bei weiterem Anstieg der Karbonsäurekonzen­ trationen.

Die Resthydrolyse und Biogasbildung verläuft bei einer Temperatur von 37°C und einem pH-Wert von 7,8 bis 8. Die Stofführung wird so gewählt, daß die Verweilzeit für die Flüssigphase 7,5 Tage und für die feststoffangereicherte Phase 25 Tage beträgt so daß bezogen auf den Input mit 15 Tagen Verweilzeit gerechnet werden kann.

Der Ablauf des Biogasreaktors ist durch folgende Stoffkennwerte gekennzeichnet:

TS|24,6 g/l
oTS	16,7 g/l
Karbonsäuren	1800 mg/l

Die restlichen Feststoffe werden über einen Preßschnecken-Separator nach Voreindickung abgetrennt und die vereinigten flüssigen Phasen in einem Tauchstrahlfermentor bei 40°C und einer Belüftungsintensität von ca. 6 m³ Luft/m³ Bioraum und Stunde belüftet, um dann teilweise oder vollständig als Prozeßwasser der ersten Stufe zugeführt zu werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur weitestgehenden Aufbereitung von organischen Reststoffen mit gesonderten Hydrolyse - und getrennter Methanstufe ohne Zwischen­ trennung, gekennzeichnet dadurch,
daß die Hydrolyse in zwei Stufen durch eine mechanisch-biologische Stofflösung sowie eine mesophile Behandlung der organischen Rest­ stoffe bei einer Temperatur über 37°C erfolgt
daß im nachfolgenden Biogasreaktor eine Entkopplung der Verweilzeit von Feststoff- und Flüssiganteilen erfolgt, indem eine horizontale Strömung erzeugt wird und mineralisierte und teilmineralisierte Feststoffe am Reaktorboden sowie feststoffentlastete Flüssigkeit im oberen Teil des Biogasreaktors entnommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Trennung des Ablaufes der 3. Stufe erhaltene flüssige Phase mit einer Verweilzeit zwischen 5 und 15 Stunden intensiv mit Luft begast wird und Flüssigkeit direkt der ersten Verfahrenstufe zugeführt wird.