-
GEBIET
-
Die vorliegende Beschreibung betrifft anaerobe Fermentation.
-
HINTERGRUND
-
Anaerobe Fermentation findet üblicherweise in einem Einzelbehälter oder in zwei in Reihe geschalteten Behältern statt. Die Behälter sind üblicherweise zylinderförmig und werden gerührt, so dass sie als kontinuierlicher Rührkessel arbeiten (continuously stirred tank reactor; CSTR). Bei Verwendung von zwei Behältern fließt die aus dem vorgeschalteten Behälter strömende Masse in den nachgeschalteten Behälter. Teilweise werden zwei Behälter eingesetzt, um die Aufbereitung in eine saure Phase und eine Gas- bzw. methanogene Phase zu trennen. Bei einer solchen Phasen-Fermentationsanlage ist das Volumen des Behälters für die saure Phase viel geringer als das des Behälters für die Gasphase.
-
EINFÜHRUNG IN DIE ERFINDUNG
-
Manche Rohsubstrate, die einem anaerober Fermenter zugeführt werden, haben eine so hohe Konzentration an Feststoffen, dass das Rohsubstrat nicht pumpfähig ist. Solche Rohsubstrate, stapelbare Rohsubstrate genannt, können einem anaeroben Fermenter trotzdem zugeführt werden, jedoch sind sie sehr schwierig zu vermengen. Das Rohsubstrat könnte verwässert werden, jedoch wäre dazu eine Wasserquelle zum Verdünnen erforderlich, was den benötigten Fermenter vergrößern und die Reaktionsgeschwindigkeit in dem Fermenter herabsetzen würde. Eine anaerobe Fermentationsanlage gemäß der vorliegenden Beschreibung ist zur Aufbereitung von Rohsubstraten mit hohem Feststoffanteil bei minimaler bzw. ohne Verdünnung ausgelegt. Optional kann die Anlage ein pumpfähiges Rohsubstrat wie z.B. Aufschlämmungen oder Klärschlamm allein oder zusammen mit einem stapelbaren Substrat aufnehmen.
-
Die Anlage umfasst zwei Fermenterstufen, die in Reihe arbeiten. In einer ersten Stufe zirkuliert Substrat, das in dem Fermenter zu fermentieren ist, die sogenannte Gärmasse, in einer Richtung bzw. im Kreis umlaufend, alternativ auch Gerinne genannt. Die Gärmasse kann in dem Gerinne umlaufen und mehrere Male an einer Eintragöffnung vorbei fließen, bevor sie die erste Stufe verlässt. Ein Einlass zu einem Durchgang von der ersten Stufe zur zweiten Stufe ist vorzugsweise nahe dem Substrateintrag angeordnet, diesem jedoch vorgeschaltet. Teilweise fermentiertes Substrat fließt zur zweiten Stufe, die als Rührkessel arbeitet.
-
Optional kann ein Mischkreis eines Seitenstroms Gärmasse mit faserigem Material nahe der freien Oberfläche der Gärmasse entnehmen, die Fasern zerkleinern und die Gärmasse mit den zerkleinerten Fasern in geringerer Höhe wieder in die Gärmasse hineinleiten. Ein Einlass zum Mischkreis des Seitenstroms kann einen Krustenaufbrecher aufweisen.
-
Die zwei Stufen des Fermenters können in einem einzigen kreisrunden Behälter ausgeführt sein. Eine Innenwandung trennt einen ringförmigen Außenbereich von einem zylindrischen Innenbereich des Behälters. Der äußere Ring stellt die erste Stufe bereit, in welcher eine teilweise Fermentation stattfindet. Der innere zylindrische Bereich ist die zweite Stufe des Fermenters, wo die Fermentation abgeschlossen wird. Der Feststoffanteil und die Viskosität sind in der ersten Stufe höher als in der zweiten Stufe infolge der teilweisen Fermentation der flüchtigen Feststoffe in dem Rohsubstrat in der ersten Stufe. Bei der weiteren Fermentation in der zweiten Stufe werden der Feststoffanteil und die Viskosität der Gärmasse weiter gesenkt, wodurch das Vermengen erleichtert wird. Ein Teil der Gärmasse kann bei Bedarf von dem Behälter der zweiten Stufe in den Behälter der ersten Stufe zurückgeleitet werden, um den Feststoffanteil bei schwer fermentierbaren Rohsubstraten zu senken.
-
Die Aufbereitung ist nicht primär zur Aufteilung des Fermenters in eine saure Phase und eine Gas- bzw. methanogene Phase vorgesehen, sondern soll eher dazu dienen, das Vermengen mit Rohsubstraten mit hohem Feststoffanteil zu erleichtern. Dementsprechend kann das Volumen des Behälters der ersten Stufe mehr als 40 % bzw. 40 bis 50 % des Gesamtvolumens des Fermenters betragen. Die erste Stufe des Fermenters, in der die Masse auf einem Weg oder in einem Gerinne in eine Richtung im Kreis fließt, kann Rohsubstrate mit sehr hohem Feststoffanteil bei minimaler oder ganz ohne Verdünnung aufbereiten. Eine verringerte Verdünnung ermöglicht die Fermentation bei kürzerer hydraulischer Verweilzeit, was wiederum ein geringeres Volumen des Fermenters bezüglich der jeweiligen Eintragmenge ermöglicht.
-
Die oben beschriebene Konfiguration Behälter-im-Behälter ist zwar schwieriger herzustellen als ein Einzelbehälter, jedoch wird auf diese Weise ein kompakter Zweistufenkessel geschaffen, da zwischen den beiden Bereichen des Behälters kein Platz verlorengeht. Die Wärmeverluste sind auch geringer, da die Innenwandung aus Beton den Inhalt des Fermenters der zweiten Stufe isoliert. Der Fermenter kann im thermophilen Temperaturbereich arbeiten. Dementsprechend könnte die Konfiguration Behälter-im-Behälter bei Zweistufen-Fermentern allgemein und insbesondere bei großen Fermentern vorteilhaft sein. Große Fermenter umfassen beispielsweise solche Fermenter, die bei Beschickung mit Maissilage bei 30 bis 35% DS (Trockensubstanz) ausreichend Biogas erzeugen, um 500 kW oder mehr, oder 800 kW oder mehr, elektrischen Strom zu produzieren, mittels eines Gasmotorgenerators, der das Gas mit einer Effizienz von etwa 40 % in elektrischen Strom umwandelt.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine schematische Darstellung einer anaeroben Fermentationsanlage.
-
2 ist eine schematische Draufsicht der anaeroben Fermentationsanlage gemäß 1.
-
3A ist eine Seitenansicht eines Krustenaufbrechers der anaeroben Fermentationsanlage gemäß 1.
-
3B ist eine Frontansicht des Krustenaufbrechers gemäß 3A.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
1 und 2 zeigen eine anaerobe Fermentationsanlage 100. Die Anlage 100 kann organisches Rohsubstrat (auch Substrat genannt) mit hohen Anteilen stapelbarer, nicht pumpfähiger Feststoffe fermentieren. Stapelbare Rohsubstrate umfassen insbesondere Silage aus Mais, Gras, Weizen oder anderen Getreiden, Dung mit hohem Feststoffanteil wie von Geflügelgelegen, einsilierte Zuckerrohrblätter oder andere Pflanzenreste, entwässerte Zuckerrübenpulpe, Filterkuchen aus der Aufbereitung von Zuckerrohr, einsilierte Blätter von Zuckerrohr, Traubenmaische, Obstschalen und andere Substrate mit hohen Feststoffanteilen aus der Nahrungsmittelverarbeitungs- und Fleischverarbeitungsindustrie, sowie feuchte Getreideschlempe aus der Bioethanolindustrie. Die Anlage 100 kann auch pumpfähiges Rohsubstrat fermentieren, sowie Kombinationen stapelbarer Rohsubstrate mit pumpfähigem Rohsubstrat wie z.B. flüssiges Substrat, Aufschlämmungen oder Klärschlamm.
-
Die Anlage 100 in 1 besteht aus dem Fermenter (25) mit zwei hintereinander geschalteten Stufen. In dem Fermenter (25) befinden sich beide Stufen in einem abgedeckten zylindrischen Behälter (27). Eine Innenwandung (28) trennt einen ringförmigen Außenteil des Behälters (27), der eine erste Stufe (5) bereitstellt, von einem zylindrischen Innenteil des Behälters (27), der die zweite Stufe (6) bereitstellt. Der Innen- bzw. Außenteil des Behälters (27) kann auch als Innenbehälter bzw. Außenbehälter bezeichnet werden, mit einer gemeinsamen Trennwand, oder als Behälter im Behälter. Die erste Stufe (5) stellt einen Strömungsweg in Form eines umlaufenden Kreises bzw. ein Gerinne bereit. Die zweite Stufe (6) stellt einen ungeteilten Rührbereich bereit. Ein Durchgang (29) ermöglicht den Fluss teilweise fermentierten Substrates durch die Innenwandung (28), von der ersten Stufe (5) zur zweiten Stufe (6). Die Fermentation beginnt in der ersten Stufe (5) und wird in der zweiten Stufe (6) abgeschlossen.
-
Auch andere Behälterkonfigurationen können verwendet werden. Beispielsweise kann ein Behälter der ersten Stufe von einem Behälter der zweiten Stufe separat angeordnet sein. Ein Behälter der ersten Stufe könnte auch eine andere Form aufweisen, die ein Gerinne bildet. Beispielsweise kann ein rechteckiger Behälter, vorzugsweise mit halbkreisförmigen Enden, eine Trennwand in Längsrichtung aufweisen.
-
Die erste Stufe (5) wird mit Gärmasse gefahren, die mit einem ersten Satz (7) Rührer bewegt wird und in Richtung (26) zirkuliert. Die Gärmasse wird bei der Bewegung in Richtung (26) vermengt. Es können kleine bzw. örtliche Rührströme schräg oder rückläufig zur Richtung (26) auftreten, sowie Störungen, wo Eintrag in die erste Stufe (5) eintritt oder Gärmasse von der ersten Stufe (5) austritt. Im Durchschnitt fließt der Strom jedoch primär in Richtung (26). Im Laufe einer Runde der Gärmasse durch das Gerinne wirkt die erste Stufe (5) in etwa wie ein Pfropfenströmreaktor, indem bei den Reaktionsprodukten eine Steigung zwischen dem Einlass und dem Auslass der ersten Stufe (5) besteht. Da jedoch die Rücklauf-Fließgeschwindigkeit höher als die Eintrag-Fließgeschwindigkeit ist, weist die erste Stufe (5) auch einige Eigenschaften eines kontinuierlichen Rührkessels (CSTR) auf. Ein Partikel eines Rücklaufsubstrats strömt im Durchschnitt mehrmals am Substrateintrag vorbei, beispielsweise 20 Mal oder öfter bzw. zwischen 20 und 30 Mal, bevor es die erste Stufe (5) verlässt. Die zweite Stufe (6) arbeitet im Allgemeinen wie ein CSTR.
-
Der Feststoffanteil und die Viskosität sind in der ersten Stufe (5) höher als in der zweiten Stufe (6) infolge der teilweisen Fermentation der flüchtigen Feststoffe in dem Rohsubstrat in der ersten Stufe (5). Bei der Fortsetzung der Fermentation in der zweiten Stufe (6) werden der Feststoffanteil und die Viskosität der Gärmasse weiter herabgesetzt, wodurch das Vermengen der Gärmasse erleichtert wird. Ein Teil der Gärmasse kann bei Bedarf von der zweiten Stufe (6) in den Behälter der ersten Stufe zurückgeleitet werden, um den Feststoffanteil in der ersten Stufe (5) bei schwer fermentierbaren Substraten zu senken. Das Volumen der ersten Stufe (5) beträgt üblicherweise 40 bis 50 % des Gesamtvolumens des Fermenters (25).
-
Bei der Anlage 100 gemäß 1 und 2 werden ein oder mehrere stapelbare Substrate (A) in einer Eintragvorrichtung (1) für Feststoffe aufgenommen. Substrate mit einem Feststoffanteil von mehr als 40% Trockensubstanz (DS) sind eintragbar. Die Feststoff-Eintragvorrichtung (1) kann mit einem Frontlader beschickt werden, oder sie kann vertieft installiert sein, so dass ein Beschicken von einem Muldenkipper möglich ist. Die Feststoff-Eintragvorrichtung (1) kann ein für etwa 12 bis 24 Stunden Betrieb ausreichendes Vorratsvolumen an stapelbarem Substrat (A) zum Beschicken des Fermenterbehälters (25) bereitstellen. Feststoff-Eintragvorrichtungen (1), wie sie von UTS Products GmbH Deutschland vertrieben werden, weisen ein mitlaufendes Gummiband auf, das auf dicht aneinander angeordneten Walzen gelagert ist. Das stapelbare Substrat (A), alternativ auch Rohsubstrat genannt, wird vorgeschoben und passiert durch Mahltrommeln, die das stapelbare Substrat (A) zermahlen und auflockern, das dann auf einen Bandförderer oder Kettenförderer (2) fällt. Die Fördereinrichtung (2) wirft das stapelbare Substrat (A) in den Trichter einer Förderschnecke (3). Die Förderschnecke (3) entlädt das stapelbare Substrat (A) etwa 0,6 m unterhalb der freien Oberfläche der Gärmasse in der ersten Stufe (5). Dadurch wird Entweichen von Biogas aus dem Fermenter (25) verhindert. Die Feststoff-Eintragvorrichtung (1) kann Lastzellen enthalten, die zum Abmessen der Menge des eingetragenen stapelbaren Substrats (A) verwendet werden. Dieses Merkmal ist in einer automatischen Eintragsteuerung einsetzbar. Die Feststoff-Eintragvorrichtung (1) kann für automatisch getaktetes Eintragen programmiert werden, wobei der Tagesbedarf in vorgegebenen Zeitabständen in gleichen Teilmengen zugeführt wird. Beispielsweise kann alle 30 oder 40 Minuten 10 Minuten lang Substrat zugeführt werden, oder einmal pro Stunde 15 Minuten lang.
-
Ein oder mehrere pumpfähige(s) Substrat(e) (B) mit einem geringeren Feststoffanteil als die stapelbaren Substrate (A) können dem Fermenter (25) allein oder zusammen mit einem oder mehreren stapelbaren Substraten (A) zugeführt werden. Beispiele pumpfähiger Substrate (B) umfassen Kuh- oder Schweinedung, Aufschlämmungen aus Lebensmittelabfällen, und Fette von Restaurants. Pumpfähige Substrate (B) werden in einem Mischbehälter (4) gelagert und mittels einer Pumpe (15), beispielsweise einer Zentrifugal-Häckselpumpe oder einer Verdrängungspumpe zugeführt. Das pumpfähige Substrat (B) wird vorzugsweise zugeführt, wenn der erste Satz Rührer (7) in Betrieb ist. Der Einlasspunkt für pumpfähige Substrate (B) kann zwischen dem Einlasspunkt für die stapelbaren Substrate (A) Beschickungspunkt und einem ersten Rührer (7) liegen, der dem Einlasspunkt für die stapelbaren Substrate (A) nachgeschaltet ist. Der Fermenter (25) nimmt vorzugsweise auch eine Tagesdosis von Spurenelementen auf, die verdünnt und auf dem stapelbaren Feststoffsubstrat (A) versprüht werden können.
-
Die Rührer (7) des ersten Satzes arbeiten vorzugsweise alle gleichzeitig, jedoch periodisch unterbrochen. Der Betrieb der Rührer erfolgt vorzugsweise gleichzeitig mit dem Eintrag stapelbarer Substrate (A). Die Rührer (7) des ersten Satzes arbeiten beispielsweise 15 Minuten pro Stunde oder 10 Minuten lang alle 30 oder 40 Minuten, oder entsprechend anderer Rührschemata, die in einer programmierbaren Logiksteuerung voreinstellbar sind. Der erste Satz Rührer (7) kann zwischen drei und sechs Rührer enthalten, je nach dem Durchmesser des Behälters (27) und dem Feststoffanteil der Gärmasse. Die Größe des Behälters (27) kann beispielsweise im Bereich von 26 m Außendurchmesser mit einer Innenwandung (28) von 16 m, bis zu 46 m Außendurchmesser des Behälters mit einer Innenwandung (28) von 32 m Durchmesser liegen. Die erste Stufe (5) kann eine Weite von 5 m bis 7 m aufweisen.
-
Der Behälter (27) ist abgedeckt, üblicherweise mit einer Membranabdeckung oder Beton oder mit einer Kombination daraus. In 1 hat die erste Stufe (5) eine Betondecke (17). Die dargestellte zweite Stufe (6) hat eine Doppelmembranabdeckung (13), die als Gassammler dient, kann jedoch auch eine Betondecke aufweisen. Die maximale Behälterhöhe (27) ist vorzugsweise etwa 12 m. Die Wände des Behälters (27) und die Innenwandung (28) können aus Beton bestehen oder aus zusammengeschraubten, beschichteten Segmenten aus Kohlenstoffstahl.
-
Bevorzugte Rührer (7) sind 22 kW hydraulisch angetriebene tauchfähige Rührer, die von UTS Products GmbH hergestellt werden. Diese Rührer (7) haben drei Flügelrotoren (8) mit 960 mm Durchmesser und laufen mit 170 UpM. Die Rührer (7) werden von einem Hydraulikmotor angetrieben. Hydraulische Leistung wird durch einen Hydraulikantrieb (HPU) mit einer Hydraulikpumpe und einem Hydrospeicher und Ventilen erzeugt. Der HPU befindet sich außerhalb des Behälters (27) in einem Maschinenraum neben dem Fermenter (25). Die Rührer (7) sind auf viereckigen Führungssäulen (22) aus nichtrostendem Stahl montiert. Zugang zum Rührer (7) erfolgt durch einen Anschlusskasten (10), der oben auf dem Rührer (7) an der Abdeckung (17), (13) des Fermenters angebracht ist. Geeignete Anschlusskästen (10) werden ebenfalls von der UTS Products GmbH hergestellt.
-
In der ersten Stufe (5) befördern die Rührer (7) die dicke, viskose Gärmasse in Richtung (26) um den umlaufenden Weg bzw. das Gerinne herum, der/die durch die Außenwandung des Behälters (27) und die Innenwandung (28) definiert wird. Ein erster Rührer (7) ist etwa 2 bis 3 m flussabwärts der Förderschnecke (3) angeordnet, die den Einlass für die stapelbaren Feststoffe (A) bereitstellt. Dieser erste Rührer (7) ist nahe an der Oberfläche der Gärmasse angeordnet, in der zulässigen Mindesthöhe des Rührers, und weist einen Rotor (8) auf, der oberhalb der Rotoren (8) anderer Rührer (7) in der ersten Stufe (5) ist. Rotoren (8) der anderen Rührer (7) in der ersten Stufe sind in verschiedenen Höhen angeordnet, wobei sie mit zunehmender Entfernung von dem ersten Rührer (7) in der Richtung (26) immer tiefer liegen. Das erleichtert den vertikalen Transport der Gärmasse, wenn sie im Gerinne zu dem Durchgang (29) gefördert wird.
-
Die Konfiguration des Gerinnes ermöglicht es, dass die erste Stufe (5) mit Feststoffanteilen und Viskositäten gefahren wird, die in einem kreisrunden Behälter nicht einfach zu vermengen sind. Das ist möglich, weil die Gärmasse sich in der ersten Stufe (5) primär in einer einzigen Richtung (26) bewegt, wobei aufgrund der Anordnung der Rührer (7) auch senkrechte Vermengung erfolgt. Die erste Stufe (5) arbeitet nach dem FIFO- oder Durchdrückprinzip bzw. als Plug-Flow-Reaktor in einem einzigen Durchlauf um das Gerinne. Substratkomponenten wie Proteine, Zucker, Stärke und Fett zersetzen sich in der ersten Stufe (5) innerhalb weniger Stunden. Mit der Zersetzung dieser Komponenten nimmt die Viskosität neu eingetragener stapelbarer Substrate (A) ab. Neu eingetragene stapelbare Substrate (A) werden auch mit rücklaufender Gärmasse vermengt, die sich in Richtung zur Förderschnecke (3) zurück bewegt. Die leichter fermentierbare Fraktion des Substrats sinkt in der ersten Stufe (5) bei der Bewegung entlang des Gerinnes ab, was durch ihre abnehmende Viskosität erleichtert wird. Diese abgesunkene Fraktion erreicht den Durchgang (29) nach weniger Umläufen um das Gerinne. Um sicherzustellen, dass neu eingetragenes, stapelbares Substrat (A) wenigstens eine nahezu vollständige Runde in dem Gerinne zurücklegt, ist die Förderschnecke (3) stromabwärts des Durchgangs (29) angeordnet, aber vorzugsweise mit einem Winkelversatz von 60 Grad oder weniger.
-
Die Fasern und andere schwer fermentierbare Komponenten der stapelbaren Substrate (A) schwimmen meistens obenauf oder werden durch entstehende Biogasbläschen nach oben gedrückt und verbleiben länger in der ersten Stufe (5). Demzufolge tritt weniger unfermentierte Masse in die zweite Stufe (6) aus. Die erste Stufe (5) verlängert automatisch die Verweilzeit für die Feststoffe schwerer fermentierbarer Masse. Irgendwann müssen die Fasern jedoch in die zweite Stufe (6) gelangen. Ein Seitenstrom-Mischkreis (31) mit einer Häckselpumpe (16) entnimmt Gärmasse aus dem Behälter (27) durch einen Einlauf (F) und führt Gärmasse mit gehäckselten Fasern zurück zum Behälter (27). Der Einlauf (F) ist vorzugsweise nahe der freien Oberfläche der Gärmasse angeordnet, beispielsweise maximal einen Meter von der freien Oberfläche entfernt. Die Gärmasse gelangt vorzugsweise auf einer niedrigeren Höhe zum Behälter (27) zurück, beispielsweise etwa in der Mitte der Behälterhöhe (27). Die gehäckselten Fasern gelangen vorzugsweise nicht ganz bis zum Behälterboden (27), weil dort die Vermengung geringer ist und erwünscht ist, dass die Fasern nur in einer Mischung mit höherem Anteil an nahezu flüssiger Gärmasse zur zweiten Stufe (6) gelangen. Die Gärmasse mit gehäckselten Fasern läuft vorzugsweise auch unterhalb des Einlasses (F) zurück. Der Auslass von der Häckselpumpe (16) kann oberhalb des ersten Rührers (7) hinter der Förderschnecke (3) angeordnet und der Förderschnecke (3) vor- oder nachgeschaltet sein. Dadurch gelangen unfermentierte Fasern tiefer in die Gärmasse hinein, um die Fermentation zu erleichtern, und gelangen zu gegebener Zeit in die zweite Stufe (6). Von der zweiten Stufe (6) können unfermentierte Fasern aus dem Fermenter (25) entfernt werden, um eine Anhäufung nicht-fermentierbarer Fasern in dem Fermenter (25) zu vermeiden.
-
Fasern und andere Feststoffe können in der ersten Stufe (5) auf der Oberfläche der Gärmasse eine Kruste bilden. Die Kruste schiebt sich am Gerinne entlang in der Richtung, in welcher der Klärschlamm umläuft. Der Einlauf (F) kann mit einem Krustenaufbrecher (30) verbunden sein, der nahe der Oberfläche der Gärmasse senkrecht zum Gerinne angeordnet ist. Gemäß 3A und 3B hat der Krustenaufbrecher allgemein die Form eines Trogs. Eine Seite (40) des Krustenaufbrechers (30) zeigt in die Strömungsrichtung (26) in dem Gerinne. Diese Seite (40) ist mit Fingern (42) versehen, welche die obenauf schwimmende Kruste aufbrechen. Gebrochene Stücke der Kruste und sonstiger Gärmasse fallen in den Trog und werden von der Häckselpumpe (16) abgesaugt und dann stromabwärts und weiter unten wieder in das Gerinne eingeleitet. Kruste und Gärmasse können sich vorübergehend in dem Krustenaufbrecher ansammeln, wobei ein Füllstandssensor in dem Trog die Häckselpumpe (16) ein- und ausschaltet.
-
Die Rührer (7) weisen eine hohe Pumpgeschwindigkeit auf und befördern große Volumina an Gärmasse am Gerinne entlang. Die Strömungsgeschwindigkeit kann 5,000 bis 7,000 m3/h sein. Die Fließgeschwindigkeit ist eine Funktion des Feststoffanteils. Die Fließgeschwindigkeit in dem Gerinne ist wenigstens etwa 10 Mal so hoch wie die Fließgeschwindigkeit des Eintrags von stapelbarem Substrat (A). Wenn neu eingetragenes stapelbares Substrat (A) von dem Substrateintragspunkt zum Durchgang (29) gelangt, erfolgt Hydrolyse und ein Teil fermentiert. Am vorderen Ende des Gerinnes, gleich nach den Substrateinlässen, entsteht ein Säuregrad, wobei sich flüchtige Fettsäuren bilden. Bei der weiteren Fermentation des neu eingebrachten Substrats (A) entlang des Gerinnes werden bei Zersetzung organischer Stoffe Proteine und organischer Stickstoff in Ammoniak umgesetzt, und Ammoniak reagiert mit dem Kohlendioxid, der bei der Fermentation entstanden ist, und bildet Ammoniumcarbonat. Ammoniumcarbonat ist ein starkes Puffersystem, das Alkalität bereitstellt. Zusätzlich entsteht aus Wasserstoff etwas Biogas, was die Alkalität auch erhöht. Die Gärmasse hat eine höhere Alkalität, wenn sie zum Substrateinlass zurück gelangt. Damit gelangt Alkalität dorthin, wo es am nötigsten ist, um Änderungen des pH-Wertes zu vermeiden. Das örtliche Ansteigen der Alkalität erhöht die Prozessstabilität, was in der ersten Stufe (5) größeren organischen Eintrag erlaubt bei minimaler Gefahr einer Ansammlung von Säure oder einer Absenkung des pH.
-
Der Fermenter (25) kann mit einem hohen Anteil von 17% Trockensubstanz (DS) in der ersten Stufe (5) und 14 % DS in der zweiten Stufe (6) im thermophilen Temperaturbereich gefahren werden, beispielsweise bei etwa 55 °C. Im mesophilen Temperaturbereich, beispielsweise etwa 38 bis 40 °C ist der empfohlene maximale Feststoffanteil 14% DS für die erste Stufe (5) und 10% DS für die zweite Stufe (6). Diese Grenzen sollen bei Verwendung der oben beschriebenen Rührer (7) eine ausreichende Vermengung in beiden Stufen erzielen. Ein thermophiler Betrieb ermöglicht höhere Feststoffanteile, weil bei höheren Temperaturen die Viskosität bei gleichbleibendem Feststoffanteil sinkt, was das Vermengen erleichtert. Bei Substraten mit hohen Feststoffanteilen, die eine große Fraktion unfermentierter Rückstände hinterlassen (üblicherweise nicht abbaubare flüchtige Feststoffe), wie z.B. Grassilage, kann eine Verdünnung der Gärmasse der ersten Stufe (5) erforderlich sein. Das erfolgt z.B. durch Rücklauf eines Teils der Gärmasse mit geringeren Feststoffanteilen von der unteren Hälfte der zweiten Stufe (6). Bei diesem Abschnitt der zweiten Stufe (6) ist der Feststoffanteil üblicherweise geringer. Eine Verdünnung der ersten Stufe (5) kann auch dadurch erfolgen, dass mehr Filtrat (H) von der Entwässerung der Gärmasse (D) der zweiten Stufe zurückgeleitet wird, als zur Faserentfernung mit dem Biomasserücklauf (wie weiter unten beschrieben wird) zur ersten Stufe erwünscht ist.
-
Abfließende Gärmasse (D) wird durch eine Pumpe (14) aus dem Fermenter (25) entfernt. Ein Teil der Abfallgärmasse wird endgültig aus dem Fermenter (25) entfernt, um einen Mengenausgleich zwischen Eintrag und Austrag zu schaffen. Ein weiterer Teil der abfließenden Gärmasse (D) wird zu einer Entwässerungseinheit (18) wie z.B. einer Schneckenpresse geschickt, um weitere unfermentierte Fasern zu entfernen. Filtrat (H) von diesem Teil der abfließenden Gärmasse (D) gelangt von der Entwässerungseinheit (18) durch eine Filtratrücklaufleitung (32) zur ersten Stufe (5) zurück. Auf diese Weise werden im Wesentlichen unfermentierbare oder schlecht fermentierbare Feststoffe aus der Gärmasse entfernt, während Filtrat (H), das Biomasse und leichter fermentierbare Feststoffe enthält, in dem Fermenter (25) verbleibt.
-
Schneckenpressen können mit Keilspaltsieben mit Öffnungen unter 1000 Mikron ausgestattet sein, die teilweise fermentierte Fasern und andere Feststoffe zurückhalten. Separierte Feststoffe (G) werden vorübergehend in einem Halter (19) aufbewahrt und können kompostiert oder wärmegetrocknet werden zur Verwendung als Düngerpellets oder Brennstoff. Die Entwässerungseinheit (18) ermöglicht es, dass Bakterienmasse mit dem Filtrat (H) strömt. Ein Teil dieser Bakterienmasse wird mit dem Filtrat (H) in die erste Stufe (5) zurückgeleitet. Diese Rückleitung lebender anaerober Bakterien unterstützt die Verlängerung der Verweilzeit von bakteriellen Feststoffen und vermeidet ein Ausspülen. Die Ausleitung von Feststoffen bei Zurückhaltung von Bakterien ist besonders günstig bei voll beschickten Fermentern, die mit relativ kurzen hydraulischen Verweilzeiten gefahren werden, wie z.B. weniger als 24 Tage HRT bei einem mesophilen Fermenter, und weniger als 18 Tage HRT bei einem thermophilen Fermenter.
-
Der tägliche Substratstrom in den Fermenter (25) hinein muss auch täglich als Biogas und getrennte Feststoffe (G) ausgeleitet werden. Daher wird ein Abfallanteil (I) vom Entwässerungsfiltrat oder ein Abfallanteil (J) von der abfließenden Gärmasse (D) oder beides abgelassen. Der Abfallanteil (I) vom Entwässerungsfiltrat kann als Flüssigdünger für die Bodenbehandlung verwendet werden oder weiterbehandelt werden, um Nährstoffe und organische Stoffe zu entziehen, um ihn zur Entsorgen aufzubereiten, falls kein Land für eine Bodenbehandlung verfügbar ist.
-
In landwirtschaftlichen Gebieten, wo Erntesilage zur Fermentation angeliefert wird, werden Nährstoffe vorzugsweise wieder dem Boden zugeführt. Das geschieht dadurch, dass ein Abfallanteil (J) von der abfließenden Gärmasse (D) in einen Tankwagen (22) zur Bodenbehandlung geleitet wird. In einigen Ländern ist im Winter keine Bodenbehandlung mit Gärmasse möglich, und laut den Vorschriften muss Gärmasse 180 Tage lang gelagert werden. Wenn das der Fall ist, wird ein Vorratsbehälter für Gärmasse mit periodischem Vermengen vorgesehen. Der Abfallanteil (J) wird regelmäßig in diesen Behälter übergeleitet. Der Vorratsbehälter ist abgedeckt, beispielsweise mit einer Abdeckmembran, unter der sich Gas ansammelt. Während der Lagerung findet weiterhin in geringem Maß ein Abbau flüchtiger Feststoffe statt und Biogas bildet sich. Der Gasdom des Lagerbehälters für Gärmasse steht mit dem Fermenter (25) in Verbindung.
-
In der zweiten Stufe (6) liegen üblicherweise unfermentierte Fasern vor, die den Prozess durchlaufen haben. Es ist wichtig, solche Fasern aus der von dem Fermenter (25) abfließenden Gärmasse (D) zu entfernen. In der zweiten Stufe (6) häufen sich Fasern an, die durch Gasbläschen nach oben gedrückt werden. Das Pumpsystem der zweiten Stufe (6) für abfließende Gärmasse weist vorzugsweise zwei Einlauföffnungen auf, von denen ein Ventil (33) eine auswählt. Eine obere Einlauföffnung (21) liegt nahe der Oberfläche der Gärmasse und führt Gärmasse mit höherem Faseranteil ab. Diese Gärmasse wird üblicherweise zur Entwässerungseinheit (18) geleitet. Eine zweite, tiefer gelegene Einlauföffnung (20) liegt in der unteren Hälfte der zweiten Stufe (6), vorzugsweise dicht über dem Boden. Diese tiefer gelegene Öffnung (20) führt Gärmasse mit geringerem Faseranteil und geringerem Feststoffanteil ab. Diese Gärmasse kann als Abfallanteil von Gärmasse (J) behandelt werden, die zu einem Vorratsbehälter für Gärmasse oder zur Bodenbehandlung auf ein Feld geleitet wird, oder es kann bei Bedarf zum Verdünnen in die erste Stufe (5) zurückgeleitet werden.
-
Der Fermenter (25) kann mit etwa einem Meter Kopfraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gefahren werden. Die Kopfräume der ersten Stufe (5) und der zweiten Stufe (6) sind mittels großer Öffnungen (12) in der Innenwandung (28) miteinander verbunden, so dass die Membranabdeckung (13) der zweiten Stufe (6) eine Lagerung des in beiden Stufen erzeugten Gases bei konstantem Druck ermöglicht. Biogas (E) wird aus Anschlüssen in den Anschlusskästen (10) entnommen. Auf diese Weise besteht ein ausreichender Abstand von der freien Oberfläche der Gärmasse zum Gasauslass, so dass potentielles Übertreten von Schaum begrenzt wird. Der Gasdruck wird erhöht, zur Verwendung in Motoren, anderen Blockheizkraftwerken (BHKW) oder Anlagen zur Veredelung des Biogases zu erneuerbarem Erdgas in Pipelinequalität.
-
Der Durchgang (29) weist nahe dem Boden der ersten Stufe (5) einen Einlass auf. Strömung durch den Durchgang (29) kann durch Schwerkraft erfolgen, wobei die Gärmasse (C) der ersten Stufe, die durch einen inneren Speiseabschnitt (9) des Durchgangs in die zweite Stufe (6) strömt, durch die Differenzdruckhöhe der Gärmasse in den beiden Behältern vorgeschoben wird. Die freie Oberfläche der Gärmasse liegt in der ersten Stufe (5) üblicherweise etwa 20 bis 30 cm höher. Wenn der Feststoffanteil der Gärmasse der ersten Stufe (C) bei mesophilem Betrieb über etwa 12 % ist, ist es zu viskos, und die geringe Differenzdruckhöhe reicht über die Innenwandung (18) hinweg nicht aus, um Reibungsverluste in dem Durchgang (29) zu überwinden. In diesem Fall wird die Strömung durch Druck unterstützt und durch Einleiten einer gewissen Menge Biogas nahe dem Boden des Speiseabschnitts (9), um eine Gasliftpumpe zu generieren. Optional kann eine Häckselpumpe zum Befördern von Gärmasse von der ersten (5) zur zweiten Stufe (6) eingesetzt werden.
-
Die zweite Stufe (6) arbeitet im Allgemeinen wie ein CSTR. Ein zweiter Satz Rührer (7), die um den Umfang der Innenwandung (18) herum montiert sind, generiert Turbulenzen in der zweiten Stufe (6) und sorgt auch für vertikale Vermengung, wie die Pfeile in 1 und 2 zeigen. Die Rotoren (8) sind zur Mitte des Behälters (27) gerichtet, aber um 5 bis 10 Grad geneigt. Das erzeugt die Wirbel- oder Schleuderbewegung. In der zweiten Stufe (6) sind bei einem Durchmesser zwischen 16 und 32 Meter und einer Höhe von 8 bis 12 m drei 22 kW Rührer (7) erforderlich, wenn mit einem Feststoffanteil von 8 bis 10 % im thermophilen oder mesophilen Bereich gefahren wird. Bei höheren Feststoffanteilen können vier Rührer (7) erforderlich sein. Wenn die Gärmasse über 6 m hoch ist, können einige Rotoren (8) in größerer Höhe angeordnet werden. Wenn die Gärmasse bis zu 6 m hoch ist, werden alle Rotoren (18) auf einer Höhe etwa ein Drittel über dem Boden angeordnet.
-
In der zweiten Stufe (6) wird die Fermentation fortgesetzt, und der Feststoffanteil der Gärmasse sinkt. Alle Rührer (7) des zweiten Satzes arbeiten periodisch unterbrochen gleichzeitig. Ein Vermengen kann alle 30 bis 60 Minuten 10 oder 15 Minuten lang vorgesehen sein, vorzugsweise nach dem Vermengen in der ersten Stufe (5). Auf diese Weise können dieselben Hydraulikantriebe, die zum Antrieb des ersten Satzes Rührer (7) verwendet werden, auch zum Antrieb des zweiten Satzes Rührer (7) verwendet werden. Mittels der Steuerung sind auch andere Rührschemata programmierbar, je nach Art des Substrats. Gärmasse wird aus dem Behälter (6) der zweiten Stufe mittels der Pumpe (14) durch die Einlauföffnung (20) oder (21) abgelassen.
-
Anaerobe Fermentation ist ein Wärme abgebender Prozess. In Fermentern für hohe Feststoffanteile führt die erhebliche Energiedichte des Substrats und die verringerte Wassermenge, die zur Verdünnung zugesetzt wird, zu einer merklichen Temperatursteigerung gegenüber der Temperatur des Substrats (A), (B). Der Behälter (27) weist an der Außenwand eine Isolierung auf. Die Konfiguration Behälter-im-Behälter, insbesondere bei Verwendung von Beton, reduziert Wärmeverluste aus dem Innenbehälter, da die Innenwandung (18) und der Außenring als Isolierkörper wirken. Jedoch kann ein Aufheizen erforderlich sein und kann mit Warmwasserheizrohren in dem Behälter (27) bereitgestellt werden, entlang der Außenwandung und der Innenwandung (18). Warmwasser, beispielsweise von einem Blockheizkraftwerk (BHKW), das das Biogas (E) verbrennt, wird durch die Heizrohre geleitet. Andere Konfigurationen, beispielsweise mit außen liegenden Doppelmantelrohr-Wärmetauschern (HEX) mit großen Öffnungen sind auch möglich. In diesem Fall wird Gärmasse vom Behälter der zweiten Stufe von der unteren Hälfte des Behälters (27) durch einen Wärmetauscher gepumpt, wohin die Wärme aus Warmwasser, das vom BHKW oder mittels eines Warmwasserboilers erzeugt wurde, übertragen wird. Erwärmte Gärmasse der zweiten Stufe wird in den Fermenter der ersten Stufe eingeleitet. Das trägt zum Verdünnen der Feststoffe in der ersten Stufe und zum Übertragen von Wärme bei.
-
Die oben beschriebene Anlage 100 ist nur ein Beispiel einer anaeroben Fermentationsanlage und soll die Erfindung nicht einschränken. Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.
