DE19649244A1 - Kreislaufmodell zur Biomasse- und organischen Abfallverwertung als Prototyp (Modulbauweise) für Feststoffe und Abwässer - Google Patents

Description

1. Das technische Gebiet betrifft die Bioabfallverwertung mit Hilfe der Bioverfahrenstechnik und der chemischen Verfahrenstechnik. Die Abwasserreinigung ist ein biolo­ gisches Verfahren.

2. Der Stand der Technik sind z. B. die anaerobe Vergärung (AV) und die Niedertemperaturkonvertierung (NTK) als das Bayer-Verfahren.

3. Das zugrundeliegende Problem ist eine möglichst vollstän­ dige Verwertung der heterogenen organischen Abfälle und Biomassen aus nachwachsenden Pflanzen mit dem Ziel eines Kreislaufs, sowohl der Feststoffe als auch der Abwässer.

4. Schutz wird für den Prototypen(eine technisch-konstruk­ tive Maschine) begehrt. Dieser Prototyp ergänzt beide Ver­ fahren. Durch eine zusätzliche Pflanzenkläranlage und einen Algenreaktor läßt sich auch für die Abwässer ein Verwertungskreislauf darstellen.

5. Die dezentrale Geeignetheit macht den Prototypen gewerb­ lich nutzbar, sowohl für Industrien, als auch für Kom­ munen.

6. Vorteilhafte Wirkungen beider Verfahren bereichern die Technik durch Erhöhung der Nutzenergie in einer einzi­ gen Maschine(Prototyp) sowohl unter Nutzung der Synergie durch Co-Fermentation (z. B. von Gülle, die mit der NTK nicht verwertbar ist) als auch durch die NTK (z. B. von Klärschlamm) mit höheren Energieausbeuten als der AV

7. Beispiele der Ausführbarkeit:

• a) In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Biomasse/ des Biomülls wird entweder vergärt oder mittels NTK konvertiert. Sind beide Optionen technisch möglich, dann werden durch die vorgeschaltete AV zunächst die Trocknungskosten (Hauptkosten) für die NTK gespart und dafür durch Co-Fermentation Synergie-Effekte erzeugt.
  Je nach Nachfrage wird der Rest kompostiert oder mittels der NTK konvertiert. In diesem Falle werden die Trocknungskosten der NTK auch wegen des geringeren Rest­ substrats billiger.
  Außerdem ist die Option der solaren Trocknung des Schlamms während der warmen Jahreszeit gegeben.
  Die solare Trocknung (z. B. die Schlammreste aus der Ver­ gärung) ist billiger als die mechanische Entwässerung.
  Dieser Schlamm kann kompostiert werden oder er kann nach der Trocknung der NTK zugeführt werden.
• b) Gemäß jahreszeitlich unterschiedlicher Sonneneinstrah­ lung wird ein Teil der Prozeßwärme durch Solarkollekto­ ren bereitgestellt(z. B. zu Erwärmung des Fermenters).
• c) In die Bilanz gehen die eingesparten Sondermüllkosten z. B. der Altfette (aus den Fettabscheidern der Großkü­ chen) oder die gebrauchten pflanzlichen Schmier-und Hydrauliköle ein, die dem Prototypen als Co-Ferment dienen.
• d) Funktionalisierte "Alt-Kunststoffe" werden durch die NTK im Prototypen zu Öl umgesetzt. Dies stellt beim Kunststoff-Recycling eine Alternative dar, denn PVC läßt sich höchstens bis zu einem Anteil von 20%(vom gesamten PVC-Abfall) "recyceln".
• e) Polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD) und polychlorierte Dibenzofurane (PCDF) werden im Prototypen mittels NTK katalytisch abgebaut und die Schwermetalle der Klär­ schlämme werden im Kohlerest gespeichert. Die Ölausbeute beträgt nur 10-30 Minuten.
• f) Aus Ölpflanzen muß zur Gewinnung der Methylester das Öl ausgepreßt werden. Im Prototyp entfallen die Gewinnung des Öls und die katalytische Umsetzung, weil das gewon­ nene Öl über die NTK ebenso als Kraftstoff für Motoren verwertbar ist. Es errechnen sich fast die doppelten Er­ löse in Geldwerten bei vergleichsweise jeweils 100 Ton­ nen Rapssamen.
• g) Aus Ölpflanzen lassen sich neben Öl und Aktivkohle auch Fettsäuren im Prototypen gewinnen. Diese Kohle trägt mehr zur Ökonomie bei als das Öl. Gegenüber Klärschlamm ist die Ökonomie größer, zumal die Trocknung entfällt.
• h) Punkt "f" legt im Prototypen zunächst eine Co-Fermen­ tation mit Gülle/Ölsubstrate nahe. Nach dem Sieben und der solaren Trocknung wird die Weiterverwertung über die NTK möglich.
• i) Co-Fermentationsbeispiele mit Hilfe der Dosiereinrich­ tung (vgl. Zeichnung) sind:
  Viskose/Biomüll: Hoher Abbaugrad mit erhöhtem Gasertrag
  Altfette(Zugabe: 0,6 Vol %): Bis 135% Gassteige­ rung.
• Gülle/Kunststoffe auf Stärkebasis: Stärke wird vollständig zu Methan.
• Gülle/Stroh: 68% Gassteigerung.
• j) Die Pflanzenkläranlage spart Anschlußkosten an das Ka­ nalnetz, erübrigt das Aufreißen von Gräben, macht den Prototypen unabhängig und begründet den Abwasserkreis­ lauf durch Geeignetheit der Wiederverwertung der Ab­ wässer nach ihrer Reinigung.
  Der Aufwand der völlig geruchsfrei arbeitenden Pflan­ zenkläranlage gegenüber einer herkömmlichen technischen Anlage beträgt ein Zehntel der Betriebs- und War­ tungskosten und trägt zur Gesamtwirtschaftlichkeit des Prototyps und zur Bereicherung der Technik bei.
  Die Art und Zusammensetzung ihrer pflanzlichen Ausstat­ tung ist bestimmt für die Reinigungsleistung und muß sich an den Standortbedingungen und den zu erwartenden Abwassermengen und der Qualität der Abwässer orien­ tieren. Verkaufsfertige Systeme können im gebotenen Einzelfall nicht optimal arbeiten. Auch hier zeigt sich für den Prototypen, daß es sich nicht um eine bloße "An­ einanderreihung" handeln kann. Das Gesamtsystem muß aufeinander abgestimmt sein und begründet die Einheit­ lichkeit.
  Beim Prototypen in Hanglagen lassen sich so die Pflan­ zenkläranlagen in Terrassen untergliedern, mit z. T. ab­ gedichteten, differenziert bepflanzten Reinigungsstufen. Sie kommen z. B. dort in Frage, wo Salzbelastungen des Einlaufwassers von holophytischen Pflanzenarten redu­ ziert werden sollen, ehe es in die nächste Reinigungs­ stufe bzw. Versickerungsstufe oder in den Algenreaktor abläuft.
• k) Die Pflanzenkläranlage ist ein Reinigungssystem, dagegen der Algenreaktor ist ein Verwertungssystem der in den Abwässern gelösten Salzen, die den Algenarten als Nah­ rungsquelle dienen.
  Die Abwasserqualität bestimmt die Algenart. Die Algenart wiederum bestimmt das Zielprodukt. Auch hier erfolgt eine Abhängigkeit, das System muß aufeinander abgestimmt sein.
  Das salzbelastete Abwasser (Art "Brackwasser") wird nach dem Reinigungsdurchgang durch die Pflanzenkläranlage über Meßfühler und Regelsystem dem Algenreaktor dosiert zugeführt.
• l) Eine Metall-Separation erzielt man in Abwässern mit der "Electro-Electro Dialysis" (EED).
  Bei hohen Ammonium-Nitrat Gehalten im Abwasser können die "EED" zusätzlich eingesetzt werden.
  Zur Säureentfernung und zur Herstellung des Säuren- Basen-Gleichgewichts bieten sich für Abwässer 'Elec­ tronenmembran-Prozesse' mittels der "Electro-Dialyse", sofern die Pflanzenkläranlage solchen Extremfällen ausgesetzt wäre.

Claims (8)

1. Die technisch-konstruktive Maschine mit schaltungstech­ nischer Ausgestaltung zur Verwertung von heterogenen Bioabfällen und nachwachsenden Rohstoffen mit dem Ziel eines Verwertungskreislaufs sowohl der Feststoffe als auch der darin gebundenen Abwässer.

2. In Abhängigkeit der Biomassezusammensetzung sind zwei Verwertungsschienen im Prototypen möglich: Die anaerobe Vergärung (AV) oder die Niedertemperaturkonvertierung (NTK) nach Bayer. Diese Verwertungsschienen lassen sich kombinieren. Durch die schaltungstechnische Aus­ gestaltung bilden sie eine Einheit. Die Meßfühler be­ stimmen die geeigneten Parameter der Biomasse. Mittels der Logistik wird die geeignetste Verwertungsschiene oder Verwertungskombination bestimmt.

3. Regler und Meßfühler ermöglichen mittels Dosiereinrich­ tung eine gezielt einsetzbare Co-Fermentation für festgelegte Relationen der einzelnen Co-Fermente, um optimale Synergie zu ermöglichen.

4. Die dabei entstehenden Abwässer werden über eine Pflanzenkläranlage gereinigt und in einem Algenreak­ tor verwertet, um den Kreislauf der Abwässer einer Ver­ wertung zuzuführen und Unabhängigkeit des Prototypen von einem Kanalnetz zu gewähren.

5. Die Größe der Oberfläche der Pflanzenkläranlage ist variabel. Durch Stellschieber können die Kompartimente durchlässig gestaltet oder verschlossen werden. Die Kompartimente werden unterschiedlich bepflanzt.
Der geringere spezifische Flächenbedarf der Pflanzen­ kläranlage ergibt sich durch eine größere Reinigungs­ leistung bis in tiefere Bodenhorizontes wegen der tiefer bewurzelten Bodenschichten. Der Stand der Technik erreicht bei den Anlagen Bewurzelungstiefen von etwa 60 cm. Möglich ist jedoch eine Verdreifachung dieser Bewurzelungstiefe.
(Vgl.: Bogenrieder, Biologie in unserer Zeit, 20. Jahrg., 1990, Nr. 4. Seiten 221-222).
Die tiefsten Bodenschichten werden durch Bewurzelung mit Phragmites communis erreicht.
Durch Mischkultur erreicht man eine Bewurzelung der oberen und der tieferen Bodenschichten und somit eine Reinigungsleistung in allen Bodenschichten.

6. Salzbelastete Abwässer aus der Pflanzenkläranlage kön­ nen über einen Meßfühler und eine Dosiereinrichtung im Algenreaktor verwertet werden.
Pflanzenkläranlage und Algenreaktor bilden zusammen ein biologisches Reinigungs- und Verwertungssystem entspre­ chender Restwässer.

7. Mittels Brennstoffzellen als Energiewandler und zur Re­ formierung C-stämmiger Brennstoffe, werden aus Methan und dem Öl aus der NTK Wasserstoff erzeugt.

8. Methan dient als Antriebsenergie für eine Absorptions­ wärmepumpe, die simultan Wärme und Kälte erzeugen kann, oder mit der man auch nur Wärme oder nur Kälte erzeugen kann.