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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung
von Biogas durch anaerobe Fermentation von Frischgülle in einem anaeroben Behandlungsraum
unter Zufuhr von Wärmemengen, wobei das entstehende Biogas daraus abgelassen wird.
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Ein derartiges Verfahren ist nach dem 'System Darmstadt' bekannt
(s. Helmut Eyser "Biogas - eine Studie über die Aktualität der Biogasgewinnung",
ÖKO-Buchversand Gut Kressenbrunnen, D - 3523 Grebenstein). Der anaerobe Behandlungsraum
ist mit einer Schleuse zum Füllen und Entnehmen der Gülle ausgerüstet. Die Schleuse
wird durch eine Tauchwand gebildet, die das Eindringen von Luft und das Entweichen
von Gas verhindert. Der anaerobe Behandlungsraum wird so angelegt, daß sich die
Einzelschleuse im Stall befindet. Diese Anlage arbeitet kontinuierlich. Die Frischgülle
wird täglich eingefüllt und ein Rührwerk täglich zwei-oder dreimal von einem Motor
in Bewegung gesetzt. Die letzten Arme des Rührwerkes befördern Teile der Schwimmdecke
unter die Tauchwand, so daß sie in der Entnahmeschleuse wieder aufschwimmen. Das
Biogas sammelt sich in einem Dom auf der obersten Stelle des im Erdreich angeordneten
anaeroben Behandlungsraumes. Die Zufuhr der zur Fermentation erforderlichen Wärmemengen
erfolgt
mittels einer Niederdruck-Dampf-Heizungsanlage und ist
sehr kostenintensiv. Andererseits ist die Erzielung eines bestimmten Temperaturbereiches
der Frischgülle zur anaeroben Fermentation unbedingt erforderlich.
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Dabei werden grundsätzlich zwei Temperaturbereiche (um 33 0C bzw.
540C) mit Höchstwerten für die Stoffumsatzleistung genannt. Die Unstetigkeit im
Funktionsverlauf wird auf einen Wechsel des Bakterienstammes von mesophilen zu thermophilen
Organismen zurückgeführt. Nach neueren Erkenntnissen besteht eine solche Unstetigkeit
jedoch nicht, das heißt die Bedingungen für die Gasgewinnung werden mit steigender
Temperatur bis in den Bereich um 54°C verbessert (s. U. Loll "Persönliche Mitteilungen,
1978"). Unterhalb einer Temperatur von 50°C kommt die mikrobielle Aktivität nahezu
zum Erliegen. Auf Temperaturschwankungen, insbesondere auf plötzlichen Temperaturabfall,
reagieren die Organismen sehr empfindlich mit geringerer Stoffwechselleistung und
Reproduktionsrate. Dabei ist unter dem Begriff ~Frischgülle" solche Jauche zu verstehen,
die noch nicht aerob oder anaerob behandelt worden ist.
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Zur Aufheizung von derartiger Frischgülle auf die erforderlichen
Temperaturbereiche von 33 C bzw. 540C ist Wärmeenergie erforderlich. Eine derartige
Aufheizung mit herkömmlichen Brennstoffen, wie 01, Gas, Kohle oder Koks, hat sich
im Verhältnis zum Ergebnis als völlig unwirtschaftlich herausgestellt.
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Auch eine Wärmerückgewinnung mittels einer Wärmepumpe ist mit einem
zu hohen Investitionsaufwand und mit erheblichen regeltechnischen Problemen verknüpft,
und
daher zur Zeit gleichfalls nicht wirtschaftlich durchführbar. Auch eine Übertragung
der Restsçärme im Ablauf einer bereits fermentierten Gülle mittels einer Wärmepumpe,
die eine Zwischenspeicherung der warmen Ablaufflüssigkeit in einem besonders gutisolierten
Behälter erfordert, ist gleichfalls äußerst investitionsaufwendig und kann wirtschaftlich
nicht durchgeführt werden, da am Kondensator und am Verdampfer der Wärmepumpe keine
zur Regelung erforderlichen konstanten Bedingungen erfüllt werden können (s. Seiten
43 bis 45 der KTBL-Schrift 229).
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Dabei werden grundsätzlich zwei Verfahren unterschieden: Beim anaeroben
Verfahren erfolgt der biologische Abbau organischer Stoffe unter Luftabschluß durch
anaerobe Bakterien. Dieser biologische Abbau hochpolymerer organischer Verbindungen
wie Saccharide, Stärke, Cellulose, Pektinstoffe, Lignin und Aminosäuren erfolgt
durch enzymatische Aufspaltung. Wasserlöslich-organische Verbindungen können von
den Mikro-Organismen resorbiert werden und dienen ihrem Bau- und Betriebsstoffwechsel.
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Die enzymatischen Auf spaltungen erfolgen in der Regel im Verlauf
bekannter Gärungen, wobei als gasförmige Stoffwechselprodukte Kohlendioxyd und Methan
in einem Gemisch von 60 % zu 40 % Volumenanteilen entstehen, das man als Biogas
bezeichnet. Um diesen biologischen Abbau jedoch in Gang zu bringen, ist entweder
ein mesophiler Temperaturbereich von 33 0C oder ein thermophiler Temperaturbereich
von 540C erforderlich.
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Beim aeroben Verfahren entstehen keine Fäulnis-
produkte.
Diese Prozesse verlaufen geruchlos oder geruchs arm, jedoch muß der Luftsauerstoff
auf mechanischem Wege eingetrieben werden. Durch das Schaffen großer Oberflächen
(Flüssigmisttropfen in Luft oder Luftbläschen in Flüssigmist) kann der Sauerstoff
in den Flüssigmist diffundieren und auf diese Weise dem Aufbau sauerstoffliebender
Bakterien-Populationen dienen. Durch den mikrobiellen Abbau der organischen Substanzen
wird Energie für den Betriebs- und Baustoffwechsel gewonnen. Aus diesem Betriebsstoffwechsel
entsteht neben den Endprodukten der enzymatischen Oxidation auch freie Bildungswärme.
Mit aeroben Verfahren wird zumeist das Ziel verfolgt, die belästigende, dem Flüssigmist
eigene Geruchsemission, die als Folge von Fäulnisvorgängen durch anaerobe Mikroorganismen
auftritt, zu verhindern. Dabei werden je nach Temperaturbereich der Fermentation
Kalt-, #arm- oder Heiß-Fermentation unterschieden. Kaltverfahren arbeiten mit Substrat-Temperaturen
bis ca. 20°C, wohingegen die Grenze zwischen Warm- und Heißverfahren von THAER und
GRABBE (1976) bei ca. 40°C gezogen wird (s. KTBL-Schrift 224, Seite 20 und 21).
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Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen,
mit denen bei relativ geringem Investitionsaufwand zur anaeroben Fermentation von
Frischgülle der dazu erforderliche Behandlungsraum wirtschaftlich zumindest bis
zum mesophilen Temperaturbereich von 33 0C ohne nennenswerten Energieaufwand aufgeheizt
werden kann
und zugleich die fermentierte Gülle von belästigenden
Geruchsemissionen befreit wird.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem eingangs genannten Gattungsbegriff
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zur anaeroben Fermentation erforderlichen
Wärmemengen durch aerobe Behandlung von Gülle in einem gegen die Atmosphäre offenen
Behandlungsraum, der einem regelbaren Luftstrom ausgesetzt wird, gewonnen und kontinuierlich
auf den anaeroben Behandlungsraum übertragen werden.
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Auf diese Weise wird die bei der aeroben Zersetzung organischer Stoffe
freiwerdende Wärmemenge, deren Temperaturniveau bei günstigen Bedingungen 700 G
erreichen kann, zum Ingangsetzen und zur Aufrechterhaltung der anaeroben Fermentation
ausgenutzt. Dabei erfolgt die Regelung des aeroben Prozesses und damit auch indirekt
der anaeroben Fermentation durch einen nach Menge und Temperatur regelbaren Luftstrom
in den anaeroben Behandlungsraum. Die Wärmeübertragung vom aeroben auf den anaeroben
Behandlungsraum kann sowohl mit dem besonders vorteilhaften direkten Wärmeübergang
als auch mit einer indirekten Wärmeübertragung erfolgen, die jedoch wiederum einen
höheren Investitionsaufwand in Form zweier zusätzlicher Wärmeübertrager und einen
höheren regeltechnischen Aufwand erfordert.
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Zur Erhöhung der Fermentation und damit zur Erhöhung der Wärmemengenproduktion
und der Biogasmenge werden die Güllemengen sowohl im aeroben als auch im anaeroben
Behandlungsraum getrennt voneinander bewegt und vermischt. Die Bewegung und Vermischung
der Gülle
wird im anaeroben Behandlungsraum durch Umpumpen mittels
überquellender, laminarer Strömung vom Boden des Behandlungsraumes bis in die Nähe
des jeweiligen Gülleniveaus durchgeführt, während die Bewegung und Vermischung der
Gülle im aeroben Behandlungsraum von einem mechanischen Rührwerk durchgeführt wird,
welches unabhängig von der Niveauhöhe des jeweiligen Güllepegels eine Wirbelsenke
gleichmäßiger Tiefe erzeugt. Durch den infolge der Wirbelsenke entstehenden Unterdruck
im aeroben Behandlungsraum wird aus der Außenatmosphäre Luft angesaugt, die bis
zu ihrem Eintritt in den aeroben Behandlungsraum von der aerob behandelten Gülle
vorgewärmt wird. Eine weitere Regelung kann durch eine Drosselung des Luftstromes,
z.B. mittels noch zu erläuternder Drosselklappen, erfolgen.
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Im stationären Zustand der Wärmeübertragung wird eine Teilmenge der
aerob behandelten Güllemenge aus dem betreffenden Behandlungsraum abgelassen und
eine etwa gleich große anaerob behandelte Güllemenge aus dem anaeroben Behandlungsraum
in den aeroben Behandlungsraum übergeleitet und diese Güllemenge im anaeroben Behandlungsraum
durch Zufuhr von Frischgülle ersetzt. Durch diese Verfahrensweise wird die Frischgülle
im stationären Betriebszustand zunächst einer anaeroben und dann einer aeroben Fermentation
unterzogen, so daß die abgelassene Güllemenge nach ihrer aeroben Behandlung nahezu
geruchsfrei ist und hinsichtlich schädlicher Emissionen problemlos nachgelagert
und auf landwirtschaftliche Flächen ausgetragen werden kann.
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Der stationäre Zustand der Wärmeübertragung ist je nach Gülleart
und Güllemenge nach etwa 10 bis 15 Tagen erreicht, wobei sich dann ein Temperaturniveau
im mesophilen Bereich zwischen 30 0C und 350C eingestellt hat. Zwar ist grundsätzlich
auch die Erzielung eines thermophilen Bereiches möglich, jedoch steigt dann auch,
insbesondere im Winterbetrieb, die Temperaturdifferenz und damit die Wärmemengenverluste
zur Außenatmosphäre, was sich insbesondere im Winterbetrieb nachteilig bemerkbar
macht. Außerdem erfordert eine Fermentation im mesophilen Bereich zwischen 300 c
und 350C eine geringere Zufuhr von Luft aus der Außenatmosphäre und damit auch eine
geringere Leistung des mechanischen Rührwerkes.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
im Sommerbetrieb eine verstärkte aerobe und eine verminderte anaerobe Behandlung
der Frischgülle durchgeführt, wohingegen im Winterbetrieb eine verstärkte anaerobe
Behandlung der Frischgülle bei entweder gleich starker aerober oder bei geringfügig
geringerer aerober Behandlung der Frischgülle durchgeführt werden kann. Auf diese
Weise wird eine "Biogas Schaukel" geschaffen und damit das Gesamtverfahren äußerst
elastisch gestaltet. Denn Biogas ist bislang nur sehr schwer und unter relativ hohem
Investitionsaufwand lagerfähig. Durch die vorbeschriebene Verfahrensweise kann im
Sommerbetrieb eine verstärkte aerobe und eine verminderte anaerobe Fermentation
der Frischgülle durchgeführt werden, wodurch die Biogasproduktion gesenkt, jedoch
gleichzeitig das erforderliche Maß zur
Gewinnung von nahezu geruchsfreier
Gülle erzielt werden kann.
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Im Winterbetrieb jedoch, wenn zur Beheizung verstärkte Mengen an
Biogas erforderlich sind, kann entsprechend eine verstärkte anaerobe Behandlung
der Frischgülle durchgeführt werden. Die hierzu erforderlichen Wärmemengen liefern
eine entweder gleich starke aerobe, geringfügig geringere aerobe oder eine noch
stärkere aerobe Behandlung der Frischgülle. Dadurch werden dem nach Menge und Temperaturhöhe
regelbaren Luftstrom in dem aeroben Behandlungsraum noch vier weitere Regelungsmöglichkeiten
nach Art einer "Biogas-Schaukel" zur Lieferung höherer oder geringerer Reproduktionsraten
an Biogas eröffnet.
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Eine bekannte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem
'System Darmstadt' weist einen mit Frischgülle gefüllten, luftdichten Behälter als
anaeroben Behandlungsraum auf, der mit einem Wärmeübertrager sowie mit einem Nachlagerbehälter
verbunden ist und der eine Einrichtung zur Vermischung der Gülle enthält. Die Einrichtung
zur Vermischung der Gülle besteht aus einem den horizontal angeordneten anaeroben
Behandlungsraum durchsetzenden Rührwerk.
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In Weiterbildung der Erfindung ist eine besonders vorteilhafte Vorrichtung
zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß der
luftdichte Behälter zur anaeroben Fermentation konzentrisch einen gegen die Atmosphäre
offenen Behälter als aeroben Behandlungsraum zur anaeroben Fermentation umgreift
und der Wärmeübertrager von einer gemeinsamen
Trennwand zwischen
luftdichtem und offenen Behälter gebildet ist.
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Zur Gewährleistung eines hohen Wärmeüberganges kann die Trennwand
nicht nur glatt, sondern auch gewellt zylindrisch ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft
wird die zylindrisch ausgebildete Trennwand auf beiden mit Gülle in Kontakt befindlichen
Seiten mit Turbulenzerzeugern aus vorspringenden, glatten Stäben von guter Wärmeleitfähigkeit
versehen.
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Zur Sicherstellung einer aeroben Behandlung mit hohem Wirkungsgrad
und leicht regelbarer Luftmenge weist der offene Behälter mehrere zu seiner Längsachse
parallel verlaufende Röhren auf, die mit ihrem einen Ende flüssigkeitsdicht durch
den Behälterboden zur Außenatmosphäre geführt sind und mit ihrem anderen Ende oberhalb
des größtmöglichen Güllepegels im Behälter offen enden. Dabei sind die Röhren mit
etwa gleichem radialem Abstand von der Längsachse des offenen Behälters sowie untereinander
angeordnet.
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Das Behälterdach ist mit in die Gülle eintauchenden Schwimmkörpern
und mit einem zylindrischen Mantel versehen, der teleskopierend beweglich zur zylindrischen
Behälterwand angeordnet ist. In der Mitte des Behälterdaches ist ein Motor mit einem
Rührwerk angeordnet, welches in Verbindung mit dem auf der Gülle schwimmenden Behälterdach
eine konstante Eintauchtiefe gewährleistet.
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Auf diese Weise kann die Luftstrommenge und die Temperatur der Luftstrommenge
durch Drosselklappen am Eintritt der Röhren in den offenen Behälter in Verbindung
mit einer einstellbaren Drehzahl des
Rührwerkes geregelt werden.
Dabei bleibt die Effektivität des Einrühreffektes der Luft an der Oberfläche der
Gülle aufgrund der konstanten Eintauchtiefe des Rührwerkes gleichfalls konstant,
soweit dessen Drehzahl nicht geändert wird.
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Zur Steigerung der Biogasausbeute weist der kreisringzylindrisch
ausgebildete, luftdichte Behälter zur anaeroben Fermentation in der Nähe seines
Behälterbodens mehrere symmetrisch angeordnete Ansaugtrichter und in der Nähe seines
größtmöglichen Güllepegels während des Betriebes mehrere Austrittsdiffusoren für
eine überquellende laminare Strömung auf, die über getrennte konzentrisch umlaufende
Ringleitungen sowie über von Ventilen absperrbare Verbindungsleitungen und über
eine Umwälzpumpe miteinander verbunden sind und einen Umwälzkreislauf bilden. Dieser
Umwälzkreislauf kann sowohl eine Umschichtung der in der Nähe des Behälterbodens
befindlichen Bestandteile an die Oberfläche und durch entsprechende Umkehrung der
Öffnung und der Schließung von Ventilen auch eine sich bildende Schwimmdecke an
der Oberfläche zerreißen und zum Behälterboden führen.
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Durch diese Umwälzung kann die anaerobe Fermentation beschleunigt
und zugleich auch aufgrund der sich dadurch ergebenden Strömungsbewegungen an der
wärmeübertragenden Trennwand zwischen beiden Behältern die Wärmeübertragung gesteigert
werden.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist
der offene und der geschlossene Behälter mit sämtlichen Ventilen, Pumpen und Überwachungsorganen
als mobile Kompakteinheit mit sämtlichen
erforderlichen Anschlüssen
ausgeführt, wobei die beiden Behälter gegenüber ihrer Umgebung mit einer hohen Wärmedämmung
und einem geringen Wärmedurchgangswert k w0,4 kcal/m2h gd. versehen sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind aus
den Ansprüchen ersichtlich. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.
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Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen
aus einem luftdichten Behälter 2 zur anaeroben Fermentation, der konzentrisch einen
gegen die Atmosphäre offenen Behälter 3 als aeroben Behandlungsraum zur aeroben
Fermentation umgreift, wobei die Trennwand 4 zwischen den beiden Behältern 2 und
3 den Wärmeübertrager bildet. Der offene Behälter 3 kann grundsätzlich mit einem
strichpunktiert angedeuteten ortsfesten Dach 5 oder in besonders vorteilhafter Weise
mit einem auf Schwimmkörpern 7 kontinuierlich höhenverstellbaren Dach 6 versehen
werden. Bei der letztgenannten Ausführungsform kann das Dach 6, welches mit einem
zylindrischen Mantel 8 versehen ist, teleskopierend je nach dem Stand der Gülle
9 mehr oder weniger weit aus- oder eingefahren werden. In der Mitte des Behälterdaches
6 ist ein Motor 10 mit einem Rührwerk 11 angeordnet, welches in Verbindung mit dem
auf der Gülle 9 schwimmenden Behälterdach 6 eine konstante Eintauchtiefe T aufweist.
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Der offene Behälter 3 ist außerdem mit mehreren, zu seiner Längsachse
12 parallel verlaufenden Röhren 13 versehen, die mit ihrem einen Ende 13' luftdicht
durch den Behälterboden 3' und mit ihrem anderen Ende 13"
oberhalb
des größtmöglichen Güllepegels II im Behälter 3 offen enden. Der Minimalpegel der
Gülle 9 ist mit I bezeichnet.
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Die Röhren 13, deren Zahl je nach Behältergröße sechs bis zwölf betragen
kann, sind in etwa gleichem radialen Abstand von der Längsachse 12 des offenen Behälters
3 sowie untereinander angeordnet. An ihrem offenen, durch den Behälterboden 3' geführten
Ende 130 weisen die Röhren angedeutete Drosselklappen 14 zur Luftmengenregelung
auf.
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Die gemeinsame Trennwand 4 zwischen beiden Behältern 2 und 3 wird
auf ihrer Seite 4' von der anaerob zu behandelnden Gülle 9' und auf der anderen
Seite 4" von der aerob zu behandelnden Gülle 9 benetzt. Diese Trennwand 4 kann entweder
wie dargestellt glatt und zylindrisch ausgebildet sein oder zur Vergrößerung der
Wärmeübertragungsflächen eine gewellt zylindrische Oberfläche aufweisen. Und schließlich
kann die zylindrisch ausgebildete Trennwand 4 auf beiden mit Gülle 9', 9 in Kontakt
befindlichen Seiten 4', 4" mit Turbulenzerzeugern 15 aus vorspringenden, glatten
Stäben von guter Wärmeleitfähigkeit versehen sein, die in einem derartigen Abstand
voneinander sowie mit einer derartigen, möglichst spitzen Form versehen sind, daß
an ihnen keine festen Bestandteile der Gülle 9', 9 anbackenund damit die Wärmeübertragungsfähigkeit
vermindern können.
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Der kreisringzylindrisch ausgebildete, luftdichte Behälter 2 weist
in der Nähe seines Behälterbodens 2' mehrere, z.B. zwölf, symmetrisch angeordnete
Ansaugtrichter 16 und in der Nähe seines größtmöglichen
Güllepegels,
z.B. in der Nähe seines Güllepegels II, mehrere Austrittsdiffusoren 17 für eine
überquellende, laminare Strömung auf, die über konzentrisch umlaufende Ringleitungen
18, 19 sowie über die Verbindungsleitungen 20, 21, 22, 23, 24 sowie über eine Umwälzpumpe
25 miteinander verbunden sind. Die einzelnen vorgenannten Leitungen sind durch Ventile
26, 27, 28, 30 wahlweise absperrbar, so daß der gemeinsam mit den Kreisringleitungen
18, 19 gebildete Umwälzkreislauf, der summarisch mit der Bezugsziffer 31 versehen
ist, durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Ventile in seiner Strömungsrichtung
umgekehrt werden kann.
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In der zeichnerischen Darstellung wird die Gülle 9' in dem Umwälzkreislauf
31 über die Ansaugtrichter 16 über die Ringleitung 18 die Leitung 23 mit dem Ventil
30 von der Pumpe 25 angesaugt und sodann über die Leitungen 21 und 20 und das geöffnete
Ventil 27 in die Kreisringleitung 19 gedrückt, wovon sie zu den einzelnen Austrittsdiffusoren
17 in Form einer vorzugsweise überquellenden, laminaren Strömung in den Behälter
2 gedrückt wird. Während dieses Strömungsablaufes sind die Ventile 26 und 28 geschlossen.
Wenn sich in der Nähe des größtmöglichen Güllepegels II im Behälter 2 eine Schwimmdecke
gebildet hat, kann der vorgenannte Umwälzkreislauf 31 in seiner Strömungsrichtung
auch umgekehrt werden. Dies geschieht dadurch, daß die Ventile 20 und 23 geschlossen
und die Ventile 26 und 28 geöffnet werden.
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Dann wird von der Pumpe über die Trichter 17 die Gülle 9 angesaugt,
und gelangt sodann über die Kreisringleitung 19 zum Ventil 26 und die Leitung 22
zur Pumpe 25
und wird von dort über das Ventil 28 und die Leitung
24 in die Kreisringleitung 18 gedrückt, von wo die Gülle 9' über die vormals als
Ansaugtrichter wirkenden Trichter 16 ausgestoßen wird.
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Der erstbeschriebene Vorgang ist mit den Pfeilen in der Nähe der
Ansaugtrichter 16 und der Austrittsdiffusoren 17 gekennzeichnet. Beim zweitbeschriebenen
Vorgang kehrt sich der Richtungssinn der Pfeile um.
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In dem Dach 5 bzw. 6 sind schließbare Einstiegluken 29 - - erforderliche
Reparatur- und Wartungsarbeiten im offenen Behälter 3 angeordnet.
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Die Böden 2', 3' der beiden Behälter 2, 3 sind über zwei durch Ventile
32, 33 absperrbare Leitungen 34, 35 miteinander verbunden, die wiederum über eine
gemeinsame, gleichfalls von einem Ventil 36 absperrbare Leitung 37 und über eine
Förderpumpe 38 mit einem Vorratsbehälter 39 für die Frischgülle 9" und über eine
weitere, gleichfalls von einem weiteren Absperrventil 40 absperrbare Leitung 41
mit einem Nachlagerbehälter 42 für die fermentierte Gülle 9"' verbunden sind. Ferner
ist der Umwälzkreislauf 31 über die Leitung 43 und über den Leitungsknotenpunkt
44 über das vorbeschriebene Ventil 40 und die Leitung 41 mit dem Nachlagerbehälter
42 und über die Leitung 37 und das Ventil 36 mit dem Vorratsbehälter 39 für die
Frischgülle 9" verbunden. Vom Boden 2' und von der Decke 2" des geschlossenen Behälters
2 führt in der linken Hälfte der zeichnerischen Darstellung je eine Leitung 45,
46, die über die Ventile 47, 48 absperrbar sind, zu einem transparenten bzw. transluzenten
Behälter 49 als Niveauüberwachung, wobei die höher gelegene Leitung 46
über
ein Entlüftungsventil 50 mit einem Überlauf 51 verbunden ist. Entsprechend ist der
Behälter 3 über die Leitung 45' mit einer separaten Niveauüberwachung 49' und einem
Überlauf 51 verbunden. Außerdem führt von der Decke 2" des geschlossenen Behälters
2 eine von einem Absperrventil 52 absperrbare Entnahmeleitung 53 zu einem nichtdargestellten
Aufnahmebehälter für das Biogas.
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Der geschlossene und der offene Behälter 2, 3 sind im vorliegenden
Fall mit sämtlichen Ventilen und Pumpen 25, 38 und Überwachungsorganen 49, 50, 51
und den nichtdargestellten Thermometern bzw. Thermofühlern als mobile Kompakteinheit
1 mit sämtlichen erforderlichen Anschlußleitungen 37, 41, 50, 53 ausgeführt. Die
beiden Behälter 2, 3 sind in ihrer atmosphärischen Umgebung mit einer hohen strichpunktiert
angedeuteten Wärmedämmung 54 versehen, wodurch insbesondere im Winterbetrieb der
Wärmeübertragungsvorgang vom Behälter 3 auf den Behälter 2 ebenso wie die Biogaserzeugung
und die Beschleunigung des anaeroben und aeroben Prozesses begünstigt wird.
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Vom Nachlagerbehälter 42 kann die fermentierte Gülle über die Leitung
55 und die Pumpe 56 in einen verfahrbaren Güllebehälter 57 gepumpt und von dort
nahezu geruchsfrei auf die zu düngenden landwirtschaftlichen Flächen ausgetragen
werden.
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Mit der vorbeschriebenen Vorrichtung wird das erfindungsgemäße Verfahren
wie folgt durchgeführt: Vor Inbetriebnahme der Anlage muß diese befüllt werden.
Zur Befüllung werden die Ventile 33, 40 sowie
26, 27, 28 und 30
geschlossen. Die Pumpe 25 bleibt ausgeschaltet. Sodann werden die Ventile 32 und
36 geöffnet und die Pumpe 38 angeschaltet. Dadurch gelangt aus dem Vorratsbehälter
39 Frischgülle 9" über die Leitungen 37 und 34 in den Behälter 2. Durch Öffnen der
Ventile 48 und 50 bei geschlossenem Ventil 52 wird die Gülle bis unter die Behälterdecke
2" gedrückt. Dadurch erfolgt eine vollkommene Entlüftung des Behälters 2. Sobald
am Überlauf 51 Gülle überläuft, wird die Pumpe 38 abgeschaltet und die Ventile 36,
48 und 50 geschlossen. Sodann wird das Ventil 33 geöffnet und unter dem statischen
Druck der Gülle 9" in dem Behälter 2 fließt diese über das Ventil 32, über die Leitung
34, das Ventil 33 und die Leitung 35 in den Behälter 3, bis beispielsweise sich
in beiden Behältern 2, 3 das Gülleniveau I einstellt. Dieser Vorgang wird soweit
wiederholt, bis vorteilhaft der Güllepegel II erreicht ist. Es ist jedoch je nach
anfallender Güllemenge und nach jahreszeitlichem Bedarf an Biogas möglich, einen
Güllepegel zwischen den beiden Stufen I und II einzustellen. Entsprechend dem Gülle
pegel taucht das nach 6 mit dem Rührwerk 11 in stets gleichbleibender Tiefe T ein.
Nach dem Füllvorgang werden die Ventile 32 und 33 geschlossen. Sodann wird der Motor
10 eingeschaltet und das Rührwerk 11 erzeugt die dargestellte Wirbelsenke, in deren
Zentrum ein Unterdruck entsteht, wodurch über die Röhren 13 aus der Außenatmosphäre
entsprechend den eingezeichneten Pfeilen atmosphärische Außenluft angesaugt wird.
Nunmehr beginnt sich die Gülle 9 aufgrund der einsetzenden
Fermentation
zu erwärmen. Dadurch wird auch die durch die Röhren 13 strömende Luft vorgewärmt.
Je nach Gülleart und einströmender Luftmenge, die zudem über die Drehzahl des Motors
10 und die Luftdrosselklappenl4 regelbar ist, stellt sich innerhalb von 10 bis 15
Tagen in beiden Behältern 2, 3 eine Betriebstemperatur zwischen 30 0C und 35 0C
ein. Zugleich wird im Umwälzkreislauf 31 durch die Pumpe 25 in beiden möglichen
Richtungen die Gülle 9' im geschlossenen Behälter 2 umgewälzt. Bei Erreichen eines
stationären Wärmeübertragungszustandes und bei einem Temperaturniveau von etwa 330C
wird über die Luftzufuhr, das heißt über die Drosselklappen 14 in Verbindung und/oder
über eine veränderliche Drehzahl des Motors 10 die Betriebstemperatur derart reguliert,
daß die vorgenannte, optimale Temperatur möglichst konstant gehalten wird.
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Bei dieser optimalen Temperatur beginnt im Behälter 2 die Biogasbildung.
Die Biogasbildung ist das Startzeichen für den eigentlichen, kontinuierlichen Aufbereitungsbetrieb
der Gülle. Dabei wird dem geschlossenen Behälter 2 täglich die sogenannte Tagesleistung
an Frischgülle 9" zugeführt und zuvor die gleiche Menge anaerob behandelter Gülle
aus dem Behälter 2 in den Behälter 3 übergeleitet, der wiederum zuvor eine entsprechende
Menge an aerob behandelter Gülle 9 in den Nachlagerbehälter 42 als aerob behandelte
Gülle 9"' abgegeben hat.
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Das Nachfüllen, Überleiten und Ablassen der unterschiedlichen Güllearten
geschieht jeweils unmittelbar nach Umwälzvorgängen in beiden Behältern 2, 3, um
eine
möglichst aufgerührte, homogene und pumpfähige Gülle für den jeweiligen Strömungsablauf
zu erhalten.
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Diese einzelnen Verfahrensphasen werden wie folgt durchgeführt: Ablassen:
Nach dem Abschalten des Rührwerkes 11 und der Umwälzpumpe 25 werden die Ventile
27 und 30 geschlossen, hingegen die Ventile 33 und 20 geöffnet.
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Dadurch kann die Tagesdurchsatzmenge aus dem offenen Behälter 3 unter
seiner Schwerkraft über die Leitung 35, das Ventil 33 und 40 und die Leitung 41
in den Nachlagerbehälter 42 als aerob behandelte Gülle 9"' abfließen. Diese abfließende
Menge kann über die Niveauanzeige 49' - ähnlich der Niveauanzeige 49 - für den geschlossenen
Behälter 2 verfolgt werden. Nach dem Ablassen der Tagesdurchsatzmenge wird das Ventil
40 geschlossen.
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Umfüllen: Zu diesem Zweck wird das Ventil 32 geöffnet. Dadurch wird
der geschlossene Behälter 2 mit dem offenen Behälter 3 nach der Art kommunizierender
Gefäße verbunden. Aufgrund der statischen Höhendifferenz der Gülle im Behälter 2
zum Behälter 3 und/oder aufgrund des Überdruckes des Biogases im Behälter 2 (das
Ventil 52 bleibt ebenso wie die Entnahmeleitung 53 geschlossen) wird eine Tagesdurchsatzmenge
anaerob behandelter Gülle 9' über das Ventil 32, die Leitung 34, das Ventil 33 und
die Leitung 35 in den offenen Behälter 3 umgefüllt, bis im Behälter 3 etwa der Güllepegel
II erreicht ist. Sodann wird das Ventil 33 geschlossen.
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Nachfüllen: Zum Nachfüllen der Tagesdurchsatzmenge
des
geschlossenen Behälters 2 wird bei offenem Ventil 32 zusätzlich noch das Ventil
36 geöffnet und sodann die Pumpe 38 eingeschaltet. Dadurch strömt Frischgülle 9"
über die Leitung 37, das Ventil 36, die Leitung 34 und das Ventil 32 in den Behälter
2 bis zum maximalen Güllepegel II ein. Sodann wird die Pumpe 38 abgeschaltet und
zugleich die Ventile 36 und 32 geschlossen.
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Umwälzen: Hiernach wird durch Einschalten der Pumpe 25 und Öffnen
der entsprechenden Ventile 27 und 30 der Umwälzkreislauf im geschlossenen Behälter
2 wieder eingeschaltet und zugleich durch Einschalten des Motors 10 und damit des
Rührwerkes 11 auch die aerobe Behandlung der Gülle 9 wieder aufgenommen.
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Durch das Aufnehmen des Umwälzkreislaufes 31 im Behälter 2 und des
Rühreffektes im Behälter 3 werden die darin enthaltenen Güllemengen zu jeweils homogenen
Güllegemischen umgewälzt.
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Entnahme des Biogases: Die Entnahme des Biogases erfolgt in jedem
Fall über die Leitung 53 in Verbindung mit dem Ventil 52. Dies geschieht vorteilhaft
nach dem Umfüllen der Tagesdurchsatzmenge aus dem Behälter 2 in den Behälter 3,
da hiernach der Überdruck des Biogases nicht mehr benötigt wird. Es kann jedoch
auch vorteilhaft sein, die Biogasmenge erst während des Nachfüllens des Behälters
2 mit Frischgülle 9" über die Leitung 53 und das Ventil 52 entweichen zu lassen,
da mit dem dadurch entstehenden Überdruck Strömungsverluste in der Leitung 53 bis
hin zum Verbrauch des Biogases kompensiert und entsprechend
problemlos
in einen dem Ventil 52 nachgeschalteten Speicher geleitet werden können. In jedem
Fall sollte das Biogas nach dem Nachfüllvorgang nicht mehr im geschlossenen Behälter
2 vorhanden sein, da es sonst aufgrund seines höheren Partialdruckes die Bildung
neuen Biogases hemmt.
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Die Größe der neuen Vorrichtung 1 wird von der jeweils erforderlichen,
von ihr täglich aufzunehmenden Tagesdurchsatzmenge an Frischgülle 9" bestimmt und
dementsprechend groß bzw. klein ausgelegt.
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Außer der vorbeschriebenen Luftmengenregelung im aeroben Behandlungsraum
3 ist mit dieser neuen Vorrichtung auch in Abhängigkeit von den jahreszeitlichen
Temperaturschwankungen und erforderlichen Biogasmengen eine Gülle-Mengenregelung
möglich. So kann beispielsweise im Sommebetrieb, wenn aufgrund des Fortfalls der
Wohnraum- und Stallbeheizung weniger Biogas erforderlich ist, der Güllepegel im
aeroben Behandlungsraum 3 höher als der Güllepegel im anaeroben Behandlungsraum
2 sein, so daß aus dem Vorratsbehälter 39 eine verstärkte Menge an Frischgülle 9"
direkt in den aeroben Behandlungsraum 3 eingeleitet wird und nur eine geringere
Menge an Frischgülle 9" in den anaeroben Behandlungsraum 2 übergeleitet wird.
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Umgekehrt kann im Winterbetrieb eine verstärkte anaerobe Behandlung
der Frischgülle 9" bei entweder noch stärkerer, gleich starker oder bei geringerer
aerober Behandlung der bereits anaerob behandelten Gülle 9' und/oder der Frischgülle
9" erfolgen. Dadurch wird aufgrund der unterschiedlichen Güllepegel
in
den Behältern 2 und 3 einerseits eine den jahreszeitlichen Bedarfs schwankungen
angepaßtetiogas-Schaukel" und andererseits eine diesen jahreszeitlichen Schwankungen
gleichfalls angepaßte "Gülle-Schaukel" geschaffen. Denn mit den unterschiedlichen
Güllepegeln in beiden Behältern 2 und 3 wird automatisch auch die optimale Wärmeübertragungsfläche
an der Trennwand 4 vergrößert bzw. verkleinert. Aufgrund dieser bei ein und derselben
Vorrichtung 1 möglichen, vielfältigen, unterschiedlichen sowie ohne Mehraufwand
durchzuführenden Regelungen wird ein äußerst elastisches Verfahren bei entsprechend
elastischer Betriebsweise gewährleistet. Bei einer Parallelschaltung von zwei und
mehreren Vorrichtungen 1 können einerseits beliebige Kapazitätserweiterungen und
andererseits eine noch größere elastische Verfahrensweise sichergestellt werden.
Dabei versteht es sich ferner, daß die hier jeweils dargestellten Einzelventile
auch durch Mehrwegeventile ersetzt werden können. So können beispielsweise die vier
Einzelventile 26, 27, 28, 30 durch ein einziges Vierwegeventil ersetzt werden.
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Ferner können die Ventile 32 und 33 einerseits und die Ventile 36
und 40 andererseits ebenso wie die Ventile 48 und 50 durch Dreiwegeventile ersetzt
werden.
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"Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas" Stückliste:
| Vorrichtung 1 1 |
| Behälter 2 |
| Behälterboden 2' 3' |
| Behälterdecke 2" |
| Trennwand 4 |
| Seite von Trennwand 4 4' 4" |
| Dach 5 6 |
| Schwimmkörper 7 |
| zylindrischer Mantel 8 |
| Gülle 9 9' 9" 9" |
| Motor 10 |
| Rührwerk 11 |
| Eintauchtiefe T |
| Längsachse 12 |
| Röhren 13 |
| Ende v. Röhren 13 13' 13" |
| Güllepegel I II |
| Drosselklappen 14 |
| Turbulenzerzeuger 15 |
| Ansaugtrichter 16 |
| Austrittsdiffusoren 17 |
| Ringleitung 18 19 |
| 20 21 22 23 3 24 34 |
| Leitungen 35 37 41 43 45 45' |
| 46 53 55 |
| Pumpe 25 38 56 |
| 26 27 28 30 1 32 33 |
| Ventile |
| 36 40 47 48 50 52 |
| Einstiegluke 29 |
| Umwälzkreislauf 31 |
| Vorratsbehälter 39 |
| Nachlagerbehälter 42 |
| Leitungsknotenpunkt 44 |
| 49 |
| Niveauüberwachung 49 49' |
| Überlauf 51 51' |
| Wärmedämmung 54 |
| verfahrbarer |
| Güllebehälter 57 |