DE19608308C2

DE19608308C2 - Process for improved utilization of organic waste products in the production of biogas

Info

Publication number: DE19608308C2
Application number: DE19608308A
Authority: DE
Inventors: Manfred Fraenkel
Original assignee: FRAENKEL MANFRED E
Current assignee: FRAENKEL, MANFRED E., 15864 BEHRENSDORF, DE
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2016-02-27
Also published as: DE19608308A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines homogenen Substrates für die Biogaserzeugung aus organischen Abfallstoffen, das überwiegend ohne Phasenbildung ab läuft, den Einsatz hydrophober Substrate zuläßt und das sich durch einen hohen Energie gehalt, eine hohe Gasausbeute, eine reduzierte Geruchsbelästigung und eine vollständige Hygienisierung auszeichnet, wobei zur Substratherstellung auch Abfälle verwendet werden können, die bisher als für die Biogasgewinnung schlecht verwertbar gelten.The invention relates to a method for producing a homogeneous substrate for the Biogas generation from organic waste materials, which mostly without phase formation runs, allows the use of hydrophobic substrates and that by a high energy content, a high gas yield, a reduced odor nuisance and a complete Hygienization distinguishes, where waste is also used to produce substrates can, which so far are considered to be poorly usable for biogas production.

Erfindungsgemäß werden den in wäßriger Phase vorliegenden organischen Abfallstoffen zur Biogaserzeugung solche Mengen einer durch Reaktion von Fetten/Ölen oder Umsetzungs produkten von Fetten/Ölen mit mikrobiellen Biomassen erhaltenen, oberflächenchemisch aktiven Substanz zugegeben, daß eine homogene Konsistenz der Substrate vorliegt und damit Phasentrennungen und Ablagerungen innerhalb des Vergasungsprozesses weitgehend vermieden werden.According to the organic waste present in the aqueous phase Biogas generation such amounts by reaction of fats / oils or reaction products of fats / oils obtained with microbial biomass, surface chemical added active substance that there is a homogeneous consistency of the substrates and thus phase separations and deposits within the gasification process largely be avoided.

Es ist bekannt, daß Bakterien abbaufähige organische Substanzen wie Kohlenhydrate, Pro teine und Fette sowohl unter Sauerstoffabschluß als auch bei Vorhandensein von Sauerstoff abbauen können. Ein Prozeß, der bei Dunkelheit unter Sauerstoffabschluß in einem Substrat stattfindet, wird als anaerobe Fermentation bezeichnet.It is known that bacteria are degradable organic substances such as carbohydrates, Pro Teine and fats both in the absence of oxygen and in the presence of oxygen can degrade. A process that occurs in the dark in the absence of oxygen in a substrate takes place is called anaerobic fermentation.

Dabei steht der mesophile Temperaturbereich (32-38°C) und der thermophile Tempera turbereich (53-58°C) zur Diskussion, wobei der thermophile Temperaturbereich vorwiegend bei Substraten mit gefährlichen pathogenen Keimen zur Anwendung kommt. Die Bio methanisierung verläuft in vier Phasen, an denen drei verschiedene Bakteriengruppen betei ligt sind. The mesophilic temperature range (32-38 ° C) and the thermophilic tempera are shown tur range (53-58 ° C) for discussion, the thermophilic temperature range predominantly is used for substrates with dangerous pathogenic germs. The bio Methanization takes place in four phases, in which three different groups of bacteria are active are.

In der hydrolytischen und säurebildenden Prozeßphase werden organisch hochmolekulare Verbindungen mit Hilfe von Enzymen zu niedermolekularen Verbindungen wie Aminosäu ren, Glycerin und Fettsäuren hydrolysiert, wobei in einer weiteren Phase aus den Hydroly seprodukten Essig-, Butter-, Propion-, Valerian-, Capron-, Ameisen- und Milchsäure sowie Ethanol, Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff produziert wer den. Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid sind in erster Linie die Ausgangsprodukte, die durch die Methanbakterien letztlich zu Methan und Kohlendioxid umgesetzt werden. Die Ausbeute und Zusammensetzung des Biogases ist von der Substratzusammensetzung abhängig.In the hydrolytic and acid-forming process phase, organic high-molecular ones become Connections with the help of enzymes to low-molecular compounds such as amino acids ren, glycerol and fatty acids hydrolyzed, in a further phase from the hydroly Seproducts vinegar, butter, propionic, valerian, capronic, formic and lactic acid as well as Who produces ethanol, hydrogen, carbon dioxide, ammonia and hydrogen sulfide the. Acetic acid, hydrogen and carbon dioxide are primarily the raw materials, which are ultimately converted into methane and carbon dioxide by the methane bacteria. The yield and composition of the biogas is from the substrate composition dependent.

Die Ausbeute an Biogas für ein Kilogramm Trockensubstanz sowie die prozentuale Zu sammensetzung für Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette gibt folgende Tabelle wieder (E. Böhnke, W. Bischofsberger, C. Steyfried, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 1993):
The following table shows the yield of biogas for one kilogram of dry matter and the percentage composition for carbohydrates, proteins and fats (E. Böhnke, W. Bischofsberger, C. Steyfried, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 1993):

Biogas ist ein hochwertiger Brennstoff, der direkt in Gasmotoren für die Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden kann. Hierdurch verringert sich der Verbrauch an fossilen Brennstoffen und damit die Emission des Treibhausgases CO₂. Darüber hinaus führt die Entgasung von organischen Abfällen in Biogasanlagen zu einer Reduzierung der Emission von CH₄, das ein 10-20 mal stärkeres Treibhausgas als CO₂ ist.Biogas is a high-quality fuel that can be used directly in gas engines for heat and electricity generation. This reduces the consumption of fossil fuels and thus the emission of the greenhouse gas CO ₂ . In addition, the degassing of organic waste in biogas plants leads to a reduction in the emission of CH ₄ , which is a 10-20 times stronger greenhouse gas than CO ₂ .

Biogasanlagen eignen sich für die Verwertung organischer Abfälle, die landwirtschaftlichen Nutzflächen wieder zugeführt werden sollen, wodurch der Einsatz von Kunstdünger verrin gert werden kann.Biogas plants are suitable for recycling organic waste, agricultural Usable areas should be re-fed, reducing the use of artificial fertilizers can be replaced.

Die Basis für die Biogasproduktion bilden Tierdung (85%), Industrieabfälle (8%), Hausmüll (6%) und Klärschlamm (1%). Der Hauptanteil des anfallenden Tierdungs entfällt auf Rin dergülle und Schweinegülle. Geflügeldung und andere Dungarten aus der Kleintierzucht spielen eine untergeordnete Rolle. Das organische Material der Gülle ist teilweise so schwer zersetzbar, daß es für die Verwertung in Biogasanlagen ungeeignet ist. Animal manure (85%), industrial waste (8%) and household waste form the basis for biogas production (6%) and sewage sludge (1%). The main part of the animal dung is Rin manure and pig manure. Poultry manure and other types of manure from small animal breeding play a subordinate role. The organic material of the manure is sometimes so heavy decomposable that it is unsuitable for recycling in biogas plants.

Beim heutigen Stand der Biogasanlagen bleibt ein wesentlicher Teil des Energiepotentials somit ungenutzt. Biogas-Großanlagen, die nur auf der Entgasung von Gülle basieren, arbei ten unter den gegenwärtigen Bedingungen betriebswirtschaftlich unrentabel. Der Gülle wer den deshalb leicht zersetzbare organische Abfälle (z. B. Industrieabfälle) zugesetzt.At the current state of biogas plants, a substantial part of the energy potential remains thus unused. Large-scale biogas plants based only on the degassing of liquid manure work economically unprofitable under the current conditions. The manure who added to the easily decomposable organic waste (e.g. industrial waste).

Verwertbare Industrieabfälle sind beispielsweise, in der Reihenfolge ihrer Anteile bei der Biogaserzeugung, Fett- und Flotationsschlämme, Magen- und Darminhalte aus Schlachte reien, Fischabfälle, Bleicherde, Abfälle aus der Häuteverwertung, Klärschlamm, Molkeper meat und Kartoffelspülwasser.Recyclable industrial waste is, for example, in the order of its shares in the Biogas production, fat and flotation sludges, stomach and intestinal contents from Schlachte scrubbing, fish waste, bleaching earth, waste from skins, sewage sludge, whey meat and potato rinse water.

Die Entgasung von Hausmüll in Biogasanlagen ist technisch komplizierter als bei Gülle oder Industrieabfällen und oft mit Problemen beim stabilen Betrieb der Anlagen verbunden. Der Hausmüll wird vorsortiert, zerkleinert, Plastik und Metall entfernt, zerfasert und unter Zu satz von NaOH bei erhöhter Temperatur (ca. 70°C) hygienisiert und aufgeschlossen. Eine flüssige Phase wird dem Reaktor zugeführt und feste Bestandteile in Hydrolysetanks weiter aufgeschlossen. Die Möglichkeiten der Nutzung von organischen Abfällen als Substrate in Biogasanlagen sind bisher nicht befriedigend gelöst und es werden Abfallbiomassen noch unvorteilhaft entsorgt oder der Umwelt zugeführt. Auch die Produktion von energiereichen Anbaupflanzen wie Raps, Getreide, Grünpflanzen etc. stellt eine Variante zur Substratge winnung dar, die seit 1992 an Bedeutung gewonnen hat, weil festgelegt wurde, in allen EG- Mitgliedsstaaten 15% der landwirtschaftlichen Nutzfläche brachzulegen.The degassing of household waste in biogas plants is technically more complicated than with liquid manure or Industrial waste and often associated with problems with the stable operation of the plants. The Household waste is pre-sorted, shredded, plastic and metal removed, shredded and closed set of NaOH hygienized and digested at elevated temperature (approx. 70 ° C). A liquid phase is fed to the reactor and solid components in hydrolysis tanks open minded. The possibilities of using organic waste as substrates in So far, biogas plants have not been satisfactorily resolved and waste biomasses are still being made disposed of inappropriately or released to the environment. Also the production of high energy Cultivated plants such as rapeseed, cereals, green plants etc. represent a variant of the substrate which has gained in importance since 1992 because it has been established in all EC Member States fallow 15% of the agricultural land.

Probleme, die mit der Biogaserzeugung verbunden sind, sind die Geruchsbelästigung sowie gefährliche Keime, Viren u. a. Krankheitserreger in den Substraten. In diesem Zusammen hang sind vor allem Hausmüll, Klärschlamm und Gülle zu nennen. Bestimmte organische Abfälle wie z. B. Tierkadaver können deshalb in Biogasanlagen nicht verwendet werden. Die Krankheitserreger werden durch thermophile Prozeßführung oder thermische Behandlungen vor oder nach einer mesophilen Prozeßführung über mehrere Stunden bei 50-70°C abge tötet. Weitere Probleme sind durch die inhomogene Konsistenz der Substrate bedingt, die in den Anlagen u. a. in Wärmeaustauschern zu Ablagerungen führt. Die Zugabe von hohen Anteilen an Fettabfällen, die durch den hohen Energiegehalt der Fette wünschenswert ist, kann zu Phasentrennungen und Schaumbildungen führen, wodurch der kontinuierliche Be trieb der Anlage gestört wird.Problems that are associated with biogas production are odor nuisance as well dangerous germs, viruses and. a. Pathogens in the substrates. In this together slope are mainly household waste, sewage sludge and manure. Certain organic Waste such as B. Animal carcasses can therefore not be used in biogas plants. The Pathogens are caused by thermophilic process control or thermal treatments Abge before or after a mesophilic process for several hours at 50-70 ° C. kills. Further problems are caused by the inhomogeneous consistency of the substrates, which in the plants u. a. leads to deposits in heat exchangers. The addition of high Proportions of fat wastes, which is desirable due to the high energy content of the fats, can lead to phase separations and foam formation, whereby the continuous loading drive the system is disturbed.

Aus der EP-A 0052 334 ist ein Verfahren zur Gewinnung von festen, flüssigen und gasför migen Brennstoffen aus organischem Material, insbesondere Klärschlamm, bekannt, wobei das Einsatzmaterial unter Luftabschluß auf eine Umwandlungstemperatur von 200 bis 400° C erwärmt wird und die entstehenden Gase und Dämpfe durch periphere Gas- und Flüssig keitsabscheider geleitet werden.EP-A 0052 334 describes a process for obtaining solid, liquid and gas Migen fuels made of organic material, especially sewage sludge, known the feed material in the absence of air to a transition temperature of 200 to 400 ° C is heated and the resulting gases and vapors by peripheral gas and liquid be separated out.

Aus der DE-OS 39 28 815 ist ein Verfahren zur Temperatur-Druckhydrolyse von Klar schlämmen bekannt, wobei gegebenenfalls unter Verwendung von anorganischen Kata lysatoren und Additiven eine Umwandlung von mikrobiologischen Biomassen in Wertstoffe erfolgt. Bei der Reinigung von kommunalen Abwässern entsteht durch den Vorklärschlamm der Sedimentationsstufe und den überschüssigen Belebtschlamm der aeroben Belebt schlammstufe ein Schlammgemisch mit einem hohen Biomasseanteil. Mittels der thermi schen Druckhydrolyse entstehen im alkalischen Bereich monomere Wertstoffe wie Ami nosäuren, Fettsäuren, Fettalkohole usw.DE-OS 39 28 815 describes a process for temperature pressure hydrolysis by Klar slurry known, optionally using inorganic kata analyzers and additives convert microbiological biomass into valuable materials he follows. In the treatment of municipal wastewater, the primary sewage sludge is used the sedimentation level and the excess activated sludge of the aerobic activated sludge stage a sludge mixture with a high biomass content. By means of the thermi Pressure hydrolysis creates monomeric materials such as ami in the alkaline range non-acids, fatty acids, fatty alcohols etc.

Die Verwendung von Additiven bezieht sich auf die Zugabe von Mineralsäuren oder Lau gen, die im Klärschlamm enthaltene Schwermetalle in eine wasserlösliche Form überführen.The use of additives refers to the addition of mineral acids or lau conditions that convert the heavy metals contained in the sewage sludge into a water-soluble form.

Alle Verfahren laufen zumindest in der Anfangsphase als weitgehend heterogene Fest- Flüssigphase ab, die sich besonders bei der Gewinnung von Biogas ungünstig auf die Raum- Zeit- Ausbeute auswirken.All procedures run at least in the initial phase as largely heterogeneous fixed Liquid phase, which has an adverse effect on the spatial Time-yield impact.

Als protein- und/oder kohlenhydrathaltige Abfallmassen sind z. B. Gülle, vorsortierter Hausmüll, Industrieabfälle wie Klärschlämme, Fisch- und Fleischabfälle, Magen- und Dar minhalte aus Schlachtereien, Abfälle aus der Häuteverwertung, Molkereipermeat, Kartoffel spülwasser, Fruchtabfälle, Abfälle aus der Cellulose- und Papierproduktion bzw. deren Gemische geeignet. Fetthaltige Abfälle im Sinne des Verfahrens sind Fett- und Flotations schlämme, Fette aus Fettabscheidern, Recyclingfette, Bleicherde und Schlachtereiabfälle bzw. deren Gemische.As protein and / or carbohydrate-containing waste masses such. B. manure, pre-sorted Household waste, industrial waste such as sewage sludge, fish and meat waste, stomach and dar min content from slaughterhouses, waste from skins, dairy permeate, potato rinse water, fruit waste, waste from cellulose and paper production or their Mixtures suitable. Waste containing fat in the sense of the process is fat and flotation sludges, grease from fat separators, recycled grease, bleaching earth and slaughterhouse waste or their mixtures.

Unter oberflächenchemisch aktiven Substanzen, die zur Homogenisierung im Sinne dieser Erfindung den zur Biogaserzeugung eingesetzten Substraten beigemischt werden, werden durch Verseifung mittels Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxiden erhaltene Umsetzungs produkte bzw. Kondensate von geeigneten pflanzlichen und/oder tierischen Fetten und Ölen mit mikrobiellen Biomassen verstanden, deren Bestandteile hinsichtlich ihrer chemi schen Natur und ihrer Molekülgröße erhebliche Unterschiede aufweisen und die durch ge eignete Hydrolysatherstellung und Derivatsierung in physikalisch homogene, grenzflächen chemisch aktive Verbindungen mit guter Wasserlöslichkeit überführt wurden.Among surface chemically active substances that are used for homogenization in the sense of this Invention are mixed with the substrates used for biogas production reaction obtained by saponification using alkali or alkaline earth metal hydroxides products or condensates of suitable vegetable and / or animal fats and Understood oils with microbial biomass, their constituents with regard to their chemi nature and their molecular size show considerable differences and which by ge suitable hydrolysate production and derivatization in physically homogeneous interfaces chemically active compounds with good water solubility have been transferred.

Dabei ist es unerheblich, ob die grenzflächenchemisch aktiven Verbindungen:
It is irrelevant whether the surface chemically active compounds:

a) by implementing the microbial biomass with fatty acid chlorides in organic, with Water-immiscible solvents using alkali metal hydroxides,
b) by reacting the microbial biomass with natural fats in an aqueous medium to in the presence of alkali metal hydroxides,
c) by partial hydrolysis of the microbial biomass with alkaline earth metal hydroxides, since after removal of the insoluble constituents and subsequent reaction with fatty acid rechlorides or fats,
d) by partial hydrolysis of the microbial biomass with ammonia solution and subsequently eating reaction with fatty acid chlorides or fats,
e) by partial hydrolysis of the microbial biomass with alkali metal hydroxides and final reaction with fats and propylene oxide, each in an alkaline medium be.

Falls eine weitere Modifizierung der Wasserlöslichkeit erwünscht ist, können auch die unter c) oder d) erhaltenen Produkte propoxyliert zur Anwendung gebracht werden.If a further modification of the water solubility is desired, the under c) or d) products obtained can be used propoxylated.

Die gute Emulgierwirkung der oberflächenchemisch aktiven Substanzen ermöglicht es, als Zusatz in Konzentrationen von beispielsweise 1-10% zu schlecht mischbaren zu vergasen den Substraten wie Fette oder andere hydrophobe Stoffe oder Stoffgemische, die Raum-Zeit-Ausbeute an Methan wesentlich zu verbessern, wobei sie als biologisch abbauba re Emulgatoren wirken, die am Methanisierungsprozeß direkt beteiligt sind.The good emulsifying effect of the surface chemically active substances makes it possible as Add gas in concentrations of, for example, 1-10% to gasify poorly miscible the substrates such as fats or other hydrophobic substances or mixtures of substances Space-time yield of methane significantly improve, being biodegradable re emulsifiers act that are directly involved in the methanation process.

Beispiele für die theoretischen Gasausbeuten bei verschiedenen Substraten (bezogen auf 1 kg Trockensubstanz) sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
Examples of the theoretical gas yields for various substrates (based on 1 kg dry matter) are summarized in the following table:

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß bei Verfügbarkeit von hohen Anteilen an Abfallfetten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht vergasbare Substrate mit einem hohen Ener giegehalt hergestellt werden können, wodurch die Betriebskosten einer Biogasanlage erheb lich gesenkt werden können.The table shows that if high proportions of waste fats are available easily gasifiable substrates with a high energy by the process according to the invention gie content can be produced, which increases the operating costs of a biogas plant Lich can be lowered.

Die Erfindung wird nachstehend ohne einschränkenden Charakter an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is described below without restricting the embodiment explained in more detail.

Embodiment 1

10 Gewichtsteile eines 20 gew.-%igen Klärschlammes, 10 Gewichtsteile Recyclingfett und 7 Gewichtsteile vorsortierter, zerkleinerter Hausmüll werden mit 5 Gewichtsteilen eines im alkalischen Medium erhaltenen Umsetzungsproduktes aus Klärschlamm und Abscheiderfett innig gemischt und mit Wasser auf einen Feststoffgehalt von 15 Gew.-% und durch Zugabe von Essigsäure auf einen pH-Wert von 7,5 eingestellt. Das Substrat wird anschließend einer Biovergasung zugeführt.10 parts by weight of a 20% by weight sewage sludge, 10 parts by weight of recycling fat and 7 parts by weight of pre-sorted, crushed household waste are mixed with 5 parts by weight of one in Alkaline medium obtained reaction product from sewage sludge and separator grease mixed intimately and with water to a solids content of 15% by weight and by addition adjusted to a pH of 7.5 by acetic acid. The substrate then becomes one Bio gasification supplied.

Embodiment 2

15 Gewichtsteile Frischschlamm, 20 Gewichtsteile einer 5 gew.-%igen Gülle und 30 Ge wichtsteile Abscheiderfett aus Schlachtereien werden mit 3 Gewichtsteilen eines im alkali schen Medium erhaltenen Umsetzungsproduktes aus Brauereihefeabfällen und Recyclingfett innig gemischt, mit Wasser auf einen Feststoffgehalt von 12 Gew.-% und durch Salzsäure auf einen pH-Wert von 8,0 eingestellt. Das Substrat wird anschließend einer Biovergasung zugeführt.15 parts by weight of fresh sludge, 20 parts by weight of a 5% by weight slurry and 30 Ge important parts of separator grease from slaughterhouses are mixed with 3 parts by weight of one in alkali reaction product obtained from brewer's yeast waste and recycling fat mixed intimately, with water to a solids content of 12% by weight and with hydrochloric acid adjusted to a pH of 8.0. The substrate then undergoes bio-gasification fed.

Embodiment 3

15 Gewichtsteile vorsortierter, zerkleinerter Hausmüll, 15 Gewichtsteile Gülle mit einem Feststoffgehalt von 3 Gew.-% und 24 Gewichtsteile Bleicherde werden mit 2 Gewichtstei len eines im alkalischen Medium erhaltenen Umsetzungsproduktes aus Belebtschlamm und Fettschlamm innig gemischt und mit Kartoffelspülwasser auf einen Feststoffgehalt von 10 Gew.-% eingestellt. Das Substrat wird anschließend einer Biovergasung zugeführt.15 parts by weight of pre-sorted, crushed household waste, 15 parts by weight of liquid manure with one Solids content of 3% by weight and 24 parts by weight of bleaching earth are mixed with 2 parts by weight len a reaction product of activated sludge and obtained in an alkaline medium Fat sludge mixed intimately and with potato rinse water to a solids content of 10 % By weight. The substrate is then subjected to bio-gasification.

Claims

1. A process for the production of a homogeneous substrate for bio-gasification from organic waste materials, which predominantly takes place without phase formation, permits the use of hydrophobic substances and which is characterized by a high energy content, a high gas yield, a reduced odor nuisance and complete hygiene, thereby characterized in that such amounts of surface chemically active substances obtained by reacting fats / oils or reaction products of fats / oils with microbial biomass are added to the inhomogeneous substrate such that the substrate has a homogeneous consistency and phase separations and deposits are largely avoided.

2. The method according to claim 1, characterized in that the inhomogeneous substrate surface chemically active substances are added, which are converted by the reaction of Greases with sewage sludge were obtained in an alkaline medium.

3. The method according to claim 1, characterized in that the inhomogeneous substrate surface chemically active substances are added, which are converted by the reaction of Greases with fresh sludge were obtained in an alkaline medium.

4. The method according to claim 1, characterized in that the inhomogeneous substrate surface chemically active substances are added, which are converted by the reaction of Fats with digested sludge were obtained in an alkaline medium.

5. The method according to claim 1, characterized in that the inhomogeneous substrate surface chemically active substances are added, which are converted by the reaction of Fats with yeast cell residues such as B. Brewer's yeast was obtained in an alkaline medium the.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that suitable kohlenhy waste containing peptide and peptide, e.g. manure, pre-sorted shredded house garbage, sewage sludge, fish and meat waste, stomach and intestinal contents, waste the cellulose and paper production or mixtures of them and suitable fat contents waste, fat and flotation sludge, fat from fat separators, recycling fat, Bleaching earth and slaughterhouse waste or mixtures of them are the starting products put.