DE3102739C2

DE3102739C2 - Verfahren und Vorrichtung zur anaeroben Aufbereitung von Abfall

Info

Publication number: DE3102739C2
Application number: DE3102739A
Authority: DE
Inventors: Rolf August 8012 Ottobrunn Brand
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-01-28
Filing date: 1981-01-28
Publication date: 1983-10-20
Also published as: DE3102739A1; ATA543281A; BR8200487A; CH656641A5; AT379170B

Abstract

Verfahren zur anaeroben Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, auch von Abfall, bestehend aus organischen Materialien mit relativ hohem Molekulargewicht, bei dem in einem Reaktorraum die hochmolekularen organischen Materialien durch Bakterienstämme in organische Materialien mit niedrigem Molekulargewicht und diese in niedere organische Säuren und unter Bildung von H ↓2 und CO ↓2 in Essigsäure übergeführt werden und dann die entstehenden Substanzen durch methanbildende Bakterien in CH ↓4 und CO ↓2 umgewandelt werden, wobei in dem Reaktorraum eine Aufteilung von Säurephase und Methanphase in umgekehrtem Verhältnis zu den Abbauraten der Prozeßstufen Säure plus Essigsäurebildung/Methanbildung vorzugsweise von etwa 1 : 10 erfolgt, wobei in dem abgeteilten Raum für die Säurephase die abgebauten Produkte (im wesentlichen Essigsäure, H ↓2 und CO ↓2) nach unten sinken und durch eine offene Verbindung in den Fermentationsraum für die Methanbildung gelangen.

Description

kann z. B. die Folge einer vorübergehenden Stoffwechselhemmung der Methanbakterien oder eines zu großen Eintrags an frischer Abfallmasse, d. h. Biomasse, sein.

Einstufenverfahren (Säure-, Essigsäure- und Methanbildner befinden sich in einem. Reaktorrarm) neigen dabei zur eskalierenden Übersäuerung. Das liegt daran, daß die säurebildenden Bakterien gegenüber äußeren Einflüssen relativ unempfindlich und von anderen Bakterien unabhängig sind, während die Essigsäure- und Methanbakterien aufeinander angewiesen und überaus empfindlich sind. Säure, d. h. die zuerst gebildeten Säuren, kann in Essigsäure bei Abwesenheit von Methanbakterien aufgrund der !-^-Inhibition nur bis zu einer bestimmten ^-Konzentration abgebaut werden. Hat die Säureanreicherung erst begonnen, so hemmt diese zunehmend den Stoffwechsel der Methanbakterien, deren Teilungsrate zudem nur etwa ¹Ao der der Säurebakterien beträgt. Durch den reduzierten Stoffwechsel der Methanbakterien wird weniger H2 abgebaut, wodurch die H2-Konzentration irr Substrat ansteigt. Dadurch wird der Stoffwechsel der Essigsäurebakterien gehemmt und kommt schließlich zum Erliegen. Die Essigsäure wird jedoch für den Metabolismus der Methanbakterien benötigt.

Nur, wenn der Vorgang der Übersäuerung rechtzeitig erkannt wird, kann ein Umkippen (Übersäuern) im Reaktor durch Abbrechen des Substrateintrags verhindert werden.

Ein weiterer bekannter Nachteil des Einstufenverfahrens sind unterschiedliche Einflüsse des Substrats in den einzelnen Abbauphasen auf die unterschiedlichen Gruppen der Mikroorganismen. Es werden z. Ü. Inhibitoren mit dem Substrat eingetragen (O₂ als Inhibitor für Methanbakterien) oder diese entstehen während des Abbaus (H2 als Inhibitor für Essigsäurebakterien). Außerdem können die optimalen physikalischen Lebensbedingungen, die sich bei den einzelnen Bakteriengruppen unterscheiden, beim Einstufenverfahren nicht berücksichtigt werden.

Diese beim Einstufenverfahren unvermeidlichen Nachteile begrenzen die theoretische Gasausbeute des Einstufenverfahrens auf 2 m³ Biogas (Methan + C02) pro m³ Faulraumvolumen, die unter optimalen Bedingungen erreichbar sind (normal sind 1 m³ Biogas/m³ Faulraumvolumen).

Es wurde nun gefunden, daß durch die Trennung der einzelnen Abbauphasen, aber anders als in dem bisher bekannten Zweistufenverfahren, ein Vielfaches dieser Gasausbeute in einem einzigen Reaktor zu erreichen ist. Die Trennung der Säurephase von der Methanphase wird hierbei ermöglicht, aber es wird so vorgegangen, daß bei der Essigsäurebildung, bei der auch H₂ und CO2 entstehen, H₂-zehrende Methanbakterien zur Verringerung des H2-Partialdrucks anwesend sind. Auf diese Weise wird eine Kontrolle des Säureeintrags in den Methanbereich des Reaktors ermöglicht und gleichzeitig die H₂-!nhibition der acetogenen Bakterien vermieden. Dadurch wird der Prozeßablauf zuverlässig und die Abbaurate gesteigert.

Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur anaeroben Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, auch von Abfall, bestehend aus organischen Materialien mit relativ hohem Molekulargewicht, bei dem in einem Reaktorraum die hochmolekularen organischen Materialien durch Bakterienstämme in organische Materialien mit niedrigem Molekulargewicht und diese in niedere organische Säuren und unter Bildung von H2 und CO₂ in Essigsäure übergeführt werden und dann die entstehenden Substanzen durch methanbildende Bakterien in CH₄ und CO₂ umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktorraum eine volumenmäßige Aufteilung von Säurephase und Methanphase im Verhältnis von 1:10 erfolgt, wobei in dem abgeteiltem Raum für die Säurephase die abgebauten Produkte nach unten sinken und durch eine offene Verbindung in den Fermentationsraum für die Methanbildung gelangen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Einlaßleitungen (1) für die zu behandelnde organische Substanz, einem Gasaustritt (2) und einem aus allen Reaktorbereichen möglichen Austrag (3) für den Rest der ganz oder teilweise abgebauten Biomasse, gekennzeichnet durch einen Bereich (4) für die Behandlung der 3iomasse mit säurebildenden Bakterien unter Einschluß eines unterhalb liegenden Bereichs (5) für die Essigsäurebildung und einem damit in offener Verbindung stehenden Bereich (6) für die Methanbildung, wobei das Verhältnis des säure- und essigsäurebildenden Bereichs zu dem methanbildenden Bereich bei 1 :10 liegt.

Die Patentansprüche 3 bis 5 nennen Ausgestaltungen dieses Reaktors.

Drei Ausführungsformen eines solchen Reaktors sollen nun anhand der Fig. 1, 2 und 3 geschildert werden.

Normalerweise wird der Reaktor folgendermaßen betrieben:

Biomasse (Polymere, wie Kohlehydrate, Fette, Eiweiß), die auf die optimale Temperatur (etwa 30⁰C) der 1. Abbaustufe (fermentative Stufe) gebracht wurde, wird oben über die Einlaßleitung (1) in den Bereich (4) für die Behandlung der Biomasse mit säurebildenden Bakterien (= Fermentationsraum) eingetragen, in dem die Polymeren in Monomere und danach im wesentlichen in Fettsäure, CO₂ und H₂ abgebaut werden. Während dieses Abbauprozesses sinken die Abbauprodukte dieser Stufen in den nach unten offenen Bereich (5) für die Essigsäurebildung im Übergang zu dem Boden des Reaktors und nehmen etwa die Temperatur des methanbildenden Bereiches an (etwa 35° C). Da, wie gesagt, der Fermentationsraum bei (5) unten offen ist, wird auf diese Weise der Eintritt der abgesunkenen Abbauprodukte dieser Stufen (im wesentlichen Essigsäure, H₂ und CO₂) in den Bereich (6) für die Methanbildung ermöglicht.

In diesem Raum entstehen Methan und CO2, also Biogas, das am Reaktordom durch den Gasaustritt (2) ausgetragen wird. Nach der Methangärung abgebautes Substrat kann aus allen Bereichen des Reaktors mittels des (schwenkbaren) Austrags (3) ausgetragen werden.

Die Aufteilung des Reaktorraums in Fermentationsräume kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden. Wesentlich ist dabei nur, daß die Volumina im umgekehrten Verhältnis zu den Abbauraten der Prozeßstufen

Säure + Essigsäurebildung/Methanbildung

stehen. Dieses umgekehrte Verhältnis beträgt ¹Ao.

Beispiele für die Möglichkeiten der Aufteilung des Reaktorraums in die betreffenden Fermentationsräume sind in den Fig. 1,2 und 3 angegeben.

In Fig. 1 findet die Säuregärung im Bereich (4) in Form eines Ringraums statt, wie dies auch der Querschnitt an der Stelle AA zeigt, der nach unten offen ist, so daß die abgesunkenen Produkte, die im

wesentlichen aus Essigsäure, CO2 und H2 bestehen, in Berührung mit der Methanbildungszone (6) kommen, die von dem Ringraum umgeben wird. Diesen Methanbildungsraum bestreicht ein Austrag (3), die zum Austragen der abgebauten Biomasse aus allen Bereichen bestimmt ist.

In F i g. 2 sind verschiedene röhrenförmig ausgebildete Fermentationsräume in dem übrigen Reaktorraum vorgesehen, in der die Säurebildung stattfindet. Dies ist auch gut aus dem gleichfalls in F i g. 2 aufgeführten Schnitt AA durch den Reaktorraum zu ersehen. Diese röhrenförmigen Fermentationsräume stehen bei (5) in offener Verbindung mit dem Boden des Reaktorraums, so daß die abgesunkenen Produkte, insbesondere Essigsäure, H2 und CO2, in Berührung mit dem übrigen methanbildenden Bereich stehen. Zum Austrag der

abgebauten Biomasse aus allen Reaktorbereichen
wiederum ein schwenkbarer Austrag (3) vorgesehen.

In F i g. 3 ist ein einzelner Bereich (4), der mit Einlaßleitungen (1) versehen ist, vorgesehen, in dem die Säurebildung bei (5) stattfindet und über diesen Bereich (5) mit dem übrigen Bereich (6) für die Methanbildung in Verbindung steht. Dieser Bereich (6) ist nach oben hin offen und von einer wärmeisolierenden Biogas-Speicherfolie (7) überwölbt, unter der sich das entstandene Biogas sammelt.

Für die durch die Figuren dargestellten Ausführungsformen gilt natürlich die Bedingung, daß die Volumina im umgekehrten Verhältnis zu den Abbauraten der Prozeßstufen Säure- + Essigsäurebildung/Methanbildung stehen. Dieses umgekehrte Verhältnis beträgt ¹Ao.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur anaeroben Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, auch von Abfall, r. bestehend aus organischen Materialien mit relativ hohem Molekulargewicht, bei dem in einem Reaktorraum die hochmolekularen organischen Materialien durch Bakterienstämme in organische Materialien mit niedrigem Molekulargewicht und diese in niedere organische Säuren und unter Bildung von H2 und CO2 in Essigsäure übergeführt werden und dann die entstehenden Substanzen durch methanbildende Bakterien in CH4 und CO2 umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktorraum eine volumenmäßige Aufteilung von Säurephase und Methanphase im Verhältnis von 1:10 erfolgt, wobei in d&n abgeteilten Raum für die Säurephase die abgebauten Produkte nach unten sinken und durch eine offene Verbindung in den Fermentationsraum für die Methanbildung gelangen.

Z Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Einlaßleitungen (1) für die zu behandelnde organische Substanz, einem Gasaustritt (2) und einem aus allen Reaktorbereichen möglichen Austrag (3) für den Rest der ganz oder teilweise abgebauten Biomasse, gekennzeichnet durch einen Bereich (4) für die Behandlung der Biomasse mit säurebildenden Bakterien unter Einschluß eines unterhalb liegenden Bereichs (5) für die Essigsäurebildung und einem damit in offener Verbindung stehenden Bereich (6) für die Methanbildung, wobei das Verhältnis des säure- und essigsäurebildenden Bereichs zu dem methanbildenden Bereich bei 1 :10 liegt.

3. Bioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite der Bereich (4) für die Säurebildung in Form eines Ringraumes angeordnet ist, der mit den Einlaßleitungen (1) verbunden ist, dieser Bereich (4) in den Bereich (5) als Bodenraum für die Essigsäurebildung einmündend gestaltet ist und dieser nach oben in offener Verbindung mit einem zentralen Raum (6) für die Methanbildung, der nach außen hin von dem Bereich (4) umgeben ist, stehend ist.

4. Bioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (4) für die Säurebildung in Form mehrerer röhrenförmiger, mit den Einlaßleitungen (1) verbundener Einzelabteile gestaltet ist, so die nach unten in den Bereich (5) des Bodenraums für die Essigsäurebildung offen und so über diesen Bodenraum mit dem übrigen, nach oben sich hin erstreckenden Bereich (6) für die Methanbildung verbunden sind.

5. Bioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ihm ein mit der Einlaßleitung (1) verbundener Bereich (4) für die Säurebildung in Form eines Einzelabteils angeordnet ist, der nach unten in den Bereich (5) des Bodenraums für die Essigsäurebildung offen ist und so über diesen Bodenraum mit dem übrigen, nach oben hin sich erstreckenden Bereich (6) für die Methanbildung verbunden ist, und bei dem eine wärmeisolierte Biogas-Speicherfolie (7) über den gesamten, oben geöffneten Bioreaktor gespannt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur anaeroben Aufbereitung von organischen Materialien mit relativ hohem Molekulargewicht und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Insgesamt sind weltweit erhebliche Mengen von organischen Materialien, auch Abfall, vorhanden, die derzeit noch ungenutzt sind oder beseitigt werden müssen, die aber zur Erzeugung von Energie und Rohstoffen herangezogen werden können.

Bisher bekannt sind z. B. Methoden zur Behandlung von biochemischem Abfall durch Verbrennen, durch den aeroben oder anaeroben Abbau, durch Rückgewinnung oder durch Ablagern in das Meer. Abfälle und tierische Exkremente des landwirtschaftlichen Bereichs werden üblicherweise auf den Feldern ausgebracht Es ist jedoch bekannt, daß durch diese Behandlungsformen eine sekundäre Umweltverschmutzung verursacht wird. Aufgrund von verschärften Bestimmungen hinsichtlich der Rückgewinnung bzw. Wiederverwendung und des Verbringens in das Meer hat sich in Teilbereichen das Verbrennungsverfahren weitgehend durchgesetzt. Dieses Verfahren ist jedoch von verschiedenen Problemen begleitet, wie die Behandlung des Rauchs, dem schlechten Geruch und den bei der Verbrennung gebildeten Aschen.

Biochemischer Abfall, wie Belebtschlamm, ist bereits durch anaerobe Stabilisierungsverfahrer> behandelt worden. Es ist bekannt, daß die anaeroben Stabilisierungsverfahren eine Reaktionsfolge umfassen, die zwei Hauptreaktionen einschließt. Genauer gesagt umfassen sie eine »Säurefermentation«, bei der die Molekulargewichte der organischen Substanzen in dem Abfall durch anaerobe Säure-Fermentations-Bakterien (Säurebildner oder Fäulnisbakterien) vermindert und die organischen Substanzen in niedermolekulare, organische Säuren, wie Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure, umgewandelt werden, und eine »Methan-Fermentation«, bei der die in dieser Weise gebildeten Säuren durch Methan-Fermentations-Bakterien (Methanbildner oder methanbildende Bakterien) in Methangas + CO2 umgewandelt werden.

Üblicherweise wird ein solches Verfahren in Einphasenreaktcren durchgeführt, d.h. bei der üblichen Durchführung der anaeroben Stabilisierungsverfahren laufen beide Phasen, nämlich die Säurefermentation und die Methanfermentation im gleichen Reaktor in der gleichen physikalischen Umgebung nebeneinander ab. Hierbei tritt aber die Gefahr der Übersäuerung auf, da die Säurebildung im Methanbereich erfolgt.

Um dies zu verhindern, ist es bereits bekannt, das gesamte Verfahren in zwei Stufen durchzuführen, indem man nämlich den Säurebereich räumlich vom Methanbereich trennt. Dies führt aber zur Erhöhung der ^-Konzentration im Säurereaktor, wodurch die Essigsäurebildung zum Erliegen kommt. In der ersten Stufe werden nämlich aus den zuerst gebildeten Säuren schließlich insbesondere Essigsäure gebildet und die Essigsäure bildenden Bakterien sind gegen eine Überkonzentration von H2 sehr empfindlich. Essigsäure, H₂ und CO₂ sind jedoch Ausgangsprodukte der Methanbakterien für die Methanproduktion, so daß bei einer Übersäuerung die Methanproduktion auch zum Erliegen kommt.

Eine bekannte Form der Betriebsstörung, insbesondere beim einstufigen Methangärprozeß, ist das Absinken des pH-Werts unter eine für die Methanbakterien zulässige Grenze. Hauptursache dafür ist ein vergleichsweise zu schnelles Wachstum der Säurebakterien. Dies