DE19615551C2 - Verfahren zur mehrstufigen anaeroben Behandlung von Biomassen zur Erzeugung von Biogas sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mehrstufigen anaeroben Behandlung von Biomassen bei gleichzeitiger Gewinnung von Biogas sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß Biomassen unter anaeroben Reaktionsbedingungen bei partieller Umsetzung der Biomasse in Gärgase abgebaut werden können.

Aus der DE 44 17 248 A1 ist ein Verfahren zum biologischen Abbau organischer Abfälle durch Verknüpfung mehrerer Prozeßketten mittels Trennung in eine Fein- und Grobfraktion bekannt. Die Feinfraktion wird anschließend einem ein- oder mehrstufigen anaeroben Prozeß mit Biogasgewinnung und -nutzung und die Grobfraktion zur Weiterbehandlung einem aeroben Verrottungsprozeß zugeführt.

Des weiteren ist bekannt, daß biologisch abbaubare Stoffe zerkleinert und je nach Prozeßführung auf einen bestimmten Wassergehalt angemaischt werden. Hierzu findet vielfach ein Anmaischbehälter Verwendung, an den sich auch eine thermische Vorbehandlung anschließt. Dabei soll ein besserer Zellaufschluß erreicht werden.

Der höhe energetische Aufwand sowie der unvollkommene mechanische Aufschluß machen das Verfahren bereits in der Vorbehandlung unwirtschaftlich.

Der Maischebrei wird dann bekanntlich dem anaeroben biologischen Abbau zugeführt. Nach den Möglichkeiten der technischen Realisierung lassen sich die Verfahren aufgrund der Fermentationstemperatur, der Substratbeschaffenheit sowie des Prozeßablaufes klassifizieren.

Zur technischen Umsetzung werden vielfach stehende oder liegende zylindrische Reaktoren angewandt, in denen infolge chargenweiser Beschickung und mangelhafter Durchmischung eine effektive Prozeßführung nicht möglich ist.

Zudem ist bekannt, daß die nicht optimal für die Mikroorganismen eingestellten Milieubedingungen bei einstufiger Prozeßführung und/oder mesophilen Fermentations­ temperaturen sowie einem zu geringen Wassergehalt des Aufgabegutes den Abbaugrad und die Biogasausbeute mindern sowie keine vollständige Hygienisierung des Gärkompostes gewährleisten.

Diese prozeßlimitierenden Verfahrensweisen lassen sich bekanntermaßen nur durch unökonomisch lange Verweilzeiten in den Reaktoren kompensieren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorhandenen Nachteile des Standes der Technik, die Verfahrensbedingungen des technologischen Prozeßablaufes zu verbessern sowie die Vorrichtung für die Erzeugung und Nutzung von Biogas aus Biomassen zu konzipieren, mit denen unter geringstmöglichem Aufwand an Investitions- und Betriebskosten ein größtmöglicher Abbau der Zellinhalte der biologischen Abfallstoffe anaerob bei kurzer Verweilzeit der Biomasse zu einem wirtschaftlich nutzbaren Gasgemisch (CH₄, CO₂) erfolgt, die Biogasmenge zu maximieren und die nachzurottende Gärkompostmenge minimiert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Behandlung der durch Entfernung nicht biologisch abbaubarer Begleitstoffe, durch Siebung, Metallabscheidung und mechanische Zerkleinerung aufbereiteten Biomassen in einem mehrstufigen Verfahren in Reihenschaltung der Reaktoren abläuft.

Zur Gewährleistung des kontinuierlichen Prozeßablaufes sowie zur Intensivierung der einsetzenden Versäuerung wird das Gärgut zweckmäßigerweise im Vorhydrolysebehälter zwischengepuffert.

Im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik wird die weiterführende Auflösung der Zellstrukturen zur Vergrößerung der Angriffsflächen für die Mikroorganismen mit Schallenergie (Ultraschall) erreicht.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform finden das Anmaischen und Animpfen der zu vergärenden Bioabfälle mit aktive Biomasse enthaltendem Prozeßwasser in einem statischen Mischer anstelle eines gebräuchlichen Pulpers statt.

Unter Vorhandensein erhöhter Drücke werden die festen organischen Stoffe mit einer entsprechenden Prozeßwassermenge vereint und gelöst. Dabei werden bis zu 98% der vergärbaren Organik in Lösung oder Suspension gebracht.

Im zweiten prozeßrelevanten Abbauschritt läuft die Hydrolyse der auf mesophile Temperaturen erwärmten hochmolekularen Bioabfälle im sauren Milieu ab, unter Nutzung der beladenen Abluft aus den Aufbereitungsstufen zur Reaktordurchmischung und H₂S-Austreibung sowie einer Naßaufbereitung (Schwimm-/Sinktrennung) mittels Rechensystem und Schlammabzugs­ schnecke. Das Einbringen von Prozeßluft geschieht ohne Durchwirbelung des Reaktor­ inhaltes, um die Sedimentation der schweren Störstoffe nicht zu unterbinden.

Die so fraktionierte Flüssigphase (organische Säuren) wird unter Beibehaltung ihrer Konsistenz auf thermophile Temperaturen erwärmt und gelangt vorzugsweise nach kontinuierlicher pH-Wert-Bestimmung mit alkalischer Behandlung unter einer weiteren Zugabe von Prozeßwasser in den Methanreaktor.

Die Feststoffphase wird zweckmäßigerweise entwässert und der Nachrotteeinheit zugeführt bzw. erneut hydrolysiert.

Das Preßwasser wird zur weiterführenden Methanisierung, der dritten Verfahrensstufe, mit der Flüssigphase vereint. Hier findet in mehreren hintereinander geschalteten Reaktorbauteilen unter Bildung von Biogas der gesteuerte anaerobe Abbau der organischen Säuren durch Methanbakterien statt.

Der Reaktor ist erfindungsgemäß so ausgelegt daß jedes Bauteil eine Tagesmenge Gärgut faßt eine Kurzschlußströmung sicher unterbunden und so die postulierte Verweilzeit gewährleistet wird. Eingepreßtes rezirkuliertes Biogas sorgt vorteilhafterweise für die schonende, vertikale Umwälzung des Organik-Bakterien-Gemisches.

Weitere Vorteile dieser pneumatischen Durchmischung ergeben sich dahingehend daß mögliche Totzonen in den Randbereichen des Reaktors vermieden werden und die Biogasdiffusion gefördert wird. Dennoch sedimentierte, nicht vollständig abgebaute Feststoffe werden in Analogie zum Hydrolysebehälter vom Reaktorboden mittels Austragsschnecke abgezogen, entwässert und nachgerottet.

Durch den fortschreitenden Abbau der organischen Substanz entstehendes Biogas sammelt sich an den höchsten Stellen der Methanreaktorbauteile und gelangt von dort zur Gasaufbereitung und -verwertung.

Das von Säuren gereinigte Faulwasser wird dekantiert und im Prozeßwassertank gesammelt. Von dort tritt das Prozeßwasser seinen Kreislauf als Anmaischwasser und Wärmeträger für die Hydrolyse an und dient zur Befeuchtung der Nachrotteeinheit sowie des Biofilters. Dekantierte Gärreststoffe werden ebenfalls nachgerottet.

Eine nicht gänzlich vermeidbare Menge an Überschußwasser wird in der anlageninternen Abwasseraufbereitung behandelt.

Insbesondere zur absoluten Emissionsvermeidung und aus wärmetechnischen Gründen ist der gesamte Anlagenbereich eingehaust. Bevorzugt an geruchsintensiven Prozeßeinheiten sowie dem Hydrolysebehälter wird die geruchsbeladene Luft direkt abgesaugt und in einem Biofilter desodoriert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angeführten Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen schematisch

Fig. 1 das Verfahrensschema,

Fig. 2 die Anlagenanordnung und

Fig. 3 die Prinzipdarstellung des Reaktors.

Die angelieferten Bioabfälle werden zunächst verwogen (1) und in einem Flachbunker (2) zwischengelagert. Von hier gelangen sie auf eine Siebmaschine (3), deren Siebüberlauf die Fraktion der groben Störstoffe (4) bildet.

Der Siebunterlauf passiert während des Transportes zum Zerkleinerungsaggregat einen Überbandmagnetscheider (5), wobei Eisenmetalle (6) separiert werden.

In einer Mühle (7) wird das Aufgabegut schonend zerkleinert und anschließend von einer Dickstoffpumpe in den Vorhydrolysebehälter (8) gefördert. Das Gärgut verweilt hier bis zu maximal drei Tagen, um den kontinuierlichen Prozeßablauf auch über die Wochenenden zu gewährleisten. Spätestens in diesem Behälter setzen die biologischen Abbauvorgänge des verderblichen Biogutes unter Luftzuführung ein, welches zu einer Vorversäuerung (Vorhydrolyse) neigt. Daneben kommt es zu einer natürlichen Vorwärmung (aerobe Vorrotte) des organischen Materials.

So gesehen kann man die Zwischenspeicherung hinsichtlich des Eindringens von Luft sowie der Ausbildung tieferliegender anaerober Zonen mit einer eingeschränkten Kompostierung vergleichen, die für diesen Zweck von Nutzen ist, da dieser Umstand eine Hydrolyseverweildauer von nur ein bis zwei Tagen rechtfertigt und dadurch Reaktorkapazität eingespart wird.

Aus dem Vorhydrolysebehälter werden die organischen Rückstände kontinuierlich abgezogen und hydraulisch in den statischen Mischer (9) gefördert. Dabei erfolgen durch Zugabe von Prozeßwasser (10) und eines geringen Teils an Frischwasser (11) ein Anmaischen und Temperieren der Organik (8% bis 16% Trockensubstanz) und gleichzeitig ein Animpfen mit aktiver Biomasse.

Im statischen Mischer (9), der trotz seines einfachen Aufbaus die Hauptfunktion eines Pulpers erfüllt, wird durch strömungsführende Einbauten das Gärmaterial mit dem eingepreßten Prozeßwasser im turbulenten Strömungsbereich verwirbelt und zu einer Suspension homogenisiert.

Für die erzeugte Bioabfallsuspension ist der auf aber 84% gestiegene Wassergehalt kennzeichnend. Somit ist die Voraussetzung geschaffen, die Suspension wie einen pumpfähigen Schlamm zu handhaben und mit konventionellen Pumpen zu fördern.

Die so aufbereitete Abfallmaische gelangt anschließend in den Wirkungsbereich eines Ultraschallfeldes. Die Beschallung der organischen Feststoffe im direkten Kavitationsfeld von Hochleistungssonotroden (12) unterstützt in starkem Maße den Zellaufschluß, regt die Mikroorganismen zum Stoffwechsel an und vervollständigt die Homogenisierung der Suspension.

Positive Folge sind des weiteren die Aufspaltung organischer Substanzen und die daraus resultierende Beschleunigung der Hydrolysestufe.

Nach der Einstellung mesophiler Temperaturen (35°C bis 38°C) im Wärmetauscher (13) gelangt das Gärmaterial in den Hydrolysereaktor (14).

Angesichts der Vorversäuerung und des hohen Wassergehaltes des Gärmediums sowie der Ultraschall-Erregung ist eine Verweildauer desselben von nur einem Tag im Hydrolysereaktor realisierbar.

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und zur Vermeidung von Kurzschlußströmungen besteht der Hydrolysereaktor aus zwei Bauteilen. Die im ersten Bauteil aufschwimmenden Leichtstoffe werden von einem Rechensystem von der Flüssigkeitsoberfläche abgezogen. Sedimentierende Schwerstoffe sammeln sich am Reaktorboden und gleiten in die Austragsschnecke (Schwimm-/Sinktrennung).

Zur schonenden Umwälzung der gesamten Biomasse und zum Austreiben geruchsintensiver Schwefelwasserstoffe wird ein Teil der Abluft aus dem Annahme- und Vorbehandlungsbereich eingepreßt. In das zweite Hydrolysebauteil wird aus denselben Gründen Abluft rezirkuliert. Mit dieser schonenden Umwälzung des Reaktorinhaltes, die lediglich die Suspendierung aufrechterhält, wird der optimale Mittelweg zwischen keiner Durchmischung (statischer Prozeß) und volldurchmischten Reaktoren, die wiederum keine Mindestverweilzeiten garantieren, beschritten.

Die nicht hydrolysierte feste Phase der Suspension lagert sich ebenfalls am Reaktorboden ab und wird von der Austragsschnecke periodisch abgezogen und in der Siebbandpresse (15) entwässert.

Die Flüssigphase erreicht via Überlauf den Wärmetauscher (16), nachdem sie mit dem Preßwasser der Siebbandpresse zusammengeführt wurde.

Zur Steigerung der spezifischen Durchsatzleistung sowie der Biogasproduktion werden die gelösten Abfallkomponenten hier auf thermophile Temperaturen (54°C bis 59°C) gebracht und nach der kontinuierlichen pH-Wert-Bestimmung (17) gegebenenfalls mit Neutralisationsmitteln (NaCH) versetzt, da der die Hydrolyse begünstigende relativ saure pH- Wert von 4-6 hemmend bis toxisch auf die Methanbakterien wirkt und eine pH-Wert- Anhebung optimale Kultivierungsbedingungen für die Methanbakterien bedeutet und daraus eine Beschleunigung der Methanisierungsstufe resultiert.

Nach erneuter Anhebung des Wassergehaltes des Gärmediums mit Prozeßwasser auf 1% bis 6% Trockensubstanz gelangen die Zwischenprodukte (organische Säuren) von der hoch belasteten Hydrolysestufe in die schwach belastete Methanisierungsstufe. Dieser im Gegensatz zu üblichen Naßfermentationen relativ hohe Trockensubstanzgehalt stößt an eine obere, noch vertretbare Grenze. Zweck ist die Erreichung größerer Durchsatzmengen bei gleicher spezifischer Gasproduktion sowie einer Minimierung der Überschußwassermenge.

Wie schon beim Hydrolysereaktor favorisiert, ist ein unterteilter Aufbau für den in Fig. 3 dargestellten Methanreaktor (18) charakteristisch.

Zur thermischen Homogenisierung (Vermeidung von Temperaturzonen) sowie zur Faulraumdurchmischung dient eine technisch angepaßte pneumatische Durchmischung mit komprimiertem, rezirkuliertem Biogas. Gleichwohl wird so dem für die Fermentation typischen autokatalytischen Verhalten der Biomasse Rechnung getragen.

Die zyklische Umwälzung führt zu einer vollständigen Homogenisierung des Biogutes. Des weiteren werden die aktive Biomasse ausreichend mit abbaufähigem Gärgut versorgt (Erneuerung der Austauschflächen) und eine die Gasproduktion beeinträchtigende Diffusionslimitierung verhindert. Ebenso wird einer Schwimmdeckenbildung wirksam begegnet. Dazu dienen diagonal an den Reaktorschrägen angebrachte gelochte Gasröhren (19), die vor allem die strömungsschwächeren Zonen erreichen.

Desgleichen unterstützt die Gasrührung die Bewegung des eingetragenen Materials vom Reaktoreintritt (20) zur Austragsöffnung (Überlauf) (21). Möglich machen die Suspensionswanderung kleine bauteilverbindende Öffnungen (22) in den Behälter­ trennwänden (23), die eine Kurzschlußströmung sicher ausschließen.

Nicht vollständig vergorenes organisches Material sinkt zum Reaktorboden und konzentriert sich analog zum Hydrolysereaktor um die Austragsschnecke (24) und wird in der Siebbandpresse (15) entwässert.

Sich bildendes und über die Flüssigkeitsoberfläche aufsteigendes Biogas wird zur weiteren Behandlung (25) und Verwertung (26) abgesaugt und partiell als Rührmedium rezirkuliert.

Während anfallender Reparatur- und Wartungsarbeiten oder bei eintretenden Notfällen wird der Biogasüberschuß über die Notfackeleinrichtung (27) entsorgt.

Aufgrund thermophiler Betriebstemperaturen werden u. a. eine vollständige Hygienisierung des Gärmediums, die eine thermische Vorbehandlung überflüssig macht, und ein bis zu 10% gesteigerter Abbau erreicht. Ein höherer Abbaugrad bedeutet wiederum eine höhere Reduktion der Trockensubstanz. Zusätzlich wird der Gasaustrag durch eine Erhöhung der Stofftransportkoeffizienten bei gestiegenen Temperaturen verbessert. Folglich wird trotz kurzer Verweilzeit von nur drei Tagen eine hohe Abbauleistung erreicht.

Per Überlauf kontinuierlich den Biogasreaktor verlassendes und bis auf einen Trockensubstanzgehalt unter 2% ausgegorenes Faulwasser wird mittels eines Dekanters (28) von nicht abgebauten organischen Feststoffen separiert.

Mit den separierten Organikrückständen wird alsdann kontinuierlich die Nachrotteeinheit (29) beschickt.

In der gekapselten Boxenkompostierung werden die Gärrückstände (Frischkompost), die infolge des Vergärungsprozesses einen Rottegrad von II bis III aufweisen, in zwei bis vier Wochen zu einem Reifekompost mit dem Rottegrad IV bis V nachstabilisiert.

Mit Ausnahme des Gasdomes (25) ist die gesamte Anlage u. a. zur Vermeidung von Geruchsemissionen umhaust. Nicht separat gekapselte geruchsintensive Anlagenbereiche, wie Anlieferung, Aufbereitung und Reststoffentwässerung, werden per Direktabsaugung aspiriert. Gleiches gilt für die Rotteboxen (29) und den ebenfalls mit Abluft beaufschlagten Hydrolysereaktor (14) sowie den Vorhydrolysebehälter (8). Die gesamte Abluft führt ein Gebläsesystem kontinuierlich der biologischen Abluftreinigung (30) zu.

Claims (4)

1. Verfahren zur mehrstufigen anaeroben Behandlung von Biomassen bei gleichzeitiger Gewinnung von Biogas durch mechanische Konditionierung und Hydrolyse mit gesonderter Behandlung sedimentierter Feststoffe sowie aufschwimmender Leichtstoffe, Temperierung, Konditionierung, Methanisierung mit gesonderter Behandlung sedimentierter Feststoffe und nachgeschaltete mechanische Abtrennung des Gärrückstandes sowie aerobe Nachrotte und Prozeßwasseraufbereitung,
dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst eine mechanische Schadstoffentfrachtung der Biomasse durch Abtrennung vorhandener Schadstoffe erfolgt,
daß ein mechanischer Voraufschluß durch reibende und schneidende Zerkleinerung der Biomasse erfolgt,
daß ein mechanischer Zellaufschluß der Biomasse mittels Ultraschall vor und/oder nach mikrobiologischer, aerob exothermer Vorhydrolyse durchgeführt wird und
daß eine Konditionierung des Gärprodukts nach der Hydrolyse durch ph-Wert- Einstellung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallbehandlung im direkten Kavitationsfeld von Hochleistungssonotroden im Bereich von Durchflußzellen erfolgt,
daß die Vorhydrolyse in einem stehenden, zylindrischen Reaktor erfolgt,
daß die mechanische Konditionierung durch Zerlegung der Biomasse in Lamellenströme mit anschließender Vermischung derselben mit Prozeßwasser durch Zusammenführung der Teilströme in verschiedenen Ebenen unter Einhaltung eines turbulenten Strömungsprofils erfolgt,
daß mit dem Prozeßwasser ein Animpfen der abzubauenden Biomasse mit aktiver Biomasse erfolgt,
daß die Vorhydrolyse im Temperaturbereich 15°C bis 30°C, die Hydrolyse im Temperaturbereich 35°C bis 38°C bei einem organischen Trockensubstanzgehalt von 8% bis 16% und die Methanisierung im Temperaturbereich 54 °C bis 59°C bei einem organischen Trockensubstanzgehalt von bis zu 10% erfolgen,
daß die Hydrolyse unter partieller Ausnutzung der aus der mechanischen Schadstoffentfrachtung, dem mechanischen Voraufschluß und der Vorhydrolyse stammenden Abluft erfolgt und
daß die Temperierung auch durch direkten Eintrag von Sattdampf in die Biomasse erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor für die Hydrolyse (14) und die Methanisierung (18) die Form eines Quaders mit einseitig geneigter Bodenfläche (31) hat und daß über die gesamte Länge des Reaktors im Bodensumpf eine Schlammabzugsschnecke (24) und auf der geneigten Bodenfläche (31) eine Begasungseinrichtung (19) diagonal angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor aus mehreren Bauteilen (18.1, 18.2, 18.3 . . . ) besteht, die durch Trennwände (23) begrenzt und über sich diagonal gegenüberliegenden Durchlaßöffnungen (22) miteinander verbunden sind, wobei die Begasungseinrichtung (19) jeweils gegenüber den Durchlaßöffnungen endet.