DE3737870A1 - Verfahren und anlage zur herstellung von biogas aus dickfluessigen vergaerbaren medien - Google Patents
Verfahren und anlage zur herstellung von biogas aus dickfluessigen vergaerbaren medienInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Biogas durch Vergärung von
vorzugsweise dickflüssigen Medien, bei dem die
Vergärung in einem Gärbehälter und die Durchmischung
des Gärmediums durch kontinuierliche Bewegung
von Mischkörpern in axialer Richtung erfolgt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur
Herstellung von Biogas durch Vergärung von
vorzugsweise dickflüssigen Medien, bei der in
einem vorzugsweise zylindrischen Behälter vergoren
wird, wobei die Durchmischung durch Mischkörper
erfolgt, die im Behälter kontinuierlich in
axialer Richtung bewegt werden.
Es ist aus dem Stand der Technik, zum Beispiel aus
der DE-PS 31 02 739, bekannt, die Vergärung in zwei
aufeinanderfolgenden Stufen in zwei voneinander
getrennten Gärkammern durchzuführen. Das Gärmedium
gelangt zunächst in eine erste Gärkammer, in der
die Vorgärung mit Hilfe von Säurebakterien durchgeführt
wird, die sogenannte Säuregärung, bei der unter
anderem der im Gärmedium vorhandene Sauerstoff
verbraucht wird, da die bei der Hauptgärung
eingesetzten Methanbakterien bei Ausschluß von
Sauerstoff bessere Lebensbedingungen vorfinden. In
der Säuregärungsstufe werden außerdem die im
Gärmedium vorhandenen hochmolekularen Eiweißstoffe,
Kohlenhydrate und Fette in niedermolekulare Stoffe,
insbesondere Fettsäuren abgebaut. Als Stoffwechsel
produkt der Säurebakterien entstehen bei der
Säuregärung im wesentlichen CO2, H2 und H2S.
Anschließend gelangt das Gärmedium aus dem
Säuregärraum in den eigentlichen Hauptgärraum, in dem
die Methanbakterien aus den Abbauprodukten der ersten
Stufe das Biogas erzeugen.
Aus der EP-A-01 67 696 ist bereits ein Verfahren zur
Herstellung von Biogas durch Vergärung von
vorzugsweise dickflüssigen Medien bekannt, bei dem
die Vergärung in einem Gärbehälter in mehreren
Stufen erfolgt, wobei in den Vorgärstufen Sauerstoff
verbraucht wird, bevor die eigentliche
Methangärungsstufe durchgeführt wird. Bei diesem
bekannten Verfahren erfolgt die Durchmischung in
der Methangärungsstufe mit Hilfe von Mischkörpern,
die im Behälter in axialer Richtung bewegt werden.
Als Mischkörper sind dabei schirmförmige Einbaukörper
vorgesehen, die an einem oben und unten offenen Rohr
angeordnet sind, wobei das Rohr entlang einer
vertikalen Achse verschiebbar geführt ist. Die
Bewegung des Rohrs und somit der schirmförmigen
Einbaukörper wird durch den Auftrieb des Gases
hervorgerufen, das sich unter den oberen beiden
schirmförmigen Einbaukörpern ansammelt. Durch den
Auftrieb kann das Rohr soweit aufsteigen, bis der
obere Einbaukörper oberhalb der Schwimmdecke
liegt. Das Gas entweicht dann in den Gasraum des
Gärkessels, so daß das Rohr mit den Einbaukörpern
wieder absinkt. Bei dieser Bewegung der Mischkörper
soll zum einen die Schwimmdecke zerstört werden
und zum anderen soll durch Turbulenzen das
Sediment, das sich im Gärkessel gebildet hat,
aufgewirbelt werden. Turbulenzen werden durch die
gewählte Form der Einbaukörper erzeugt. Das bekannte
Verfahren ist schon deshalb nachteilig, weil sich
gezeigt hat, daß Turbulenzen im Gärmedium die
Methanbakterien in ihren Lebensbedingungen
nachteilig beeinflussen. Außerdem ist der Hub der
schirmförmigen Einbaukörper bei ihrer Axialbewegung
im Gärbehälter bedingt durch die Konstruktion
relativ kurz. Auch wird im peripheren Bereich des
Behälters keine Durchmischung erzielt. Die
Durchmischung des Gärmediums ist somit bei dem
bekannten Verfahren im Hinblick auf eine maximale
Methangasausbeute nicht effektiv. Hinzu kommt, daß
die durch den Gasauftrieb veranlaßte Axialbewegung
der Mischkörper in unkontrollierter Form erfolgt
und von der jeweiligen Ausbeute an Biogas abhängig
ist.
Aus der DE-AS 29 46 884 ist ein Verfahren zur
Herstellung von Biogas durch Vergärung von Biomasse
bekannt, bei dem das Gärmedium mit Hilfe von
gewölbten Rührschaufeln durchmischt wird, die im
Gärbehälter in axialer Richtung bewegbar sind.
Auch bei diesem bekannten Verfahren wird die
Bewegung der Mischkörper im Prinzip durch den
Gasauftrieb des bei der Vergärung im Gärbehälter
entstehenden Biogases hervorgerufen. Die
Durchmischung erfolgt also auch hier in
unkontrollierter Weise. Die Mechanik für den Antrieb
der Mischkörper ist sehr aufwendig. Die Mischkörper
sind an Ketten aufgehängt, die über auf
Führungswellen gelagerte Scheiben laufen. Die
Antriebsmechanik weist eine Vielzahl beweglicher
Teile auf, die bei gefülltem Gärbehälter von dem
Gärmedium bedeckt sind und somit durch ihre Bewegung
das Gärmedium aufwühlen und Turbulenzen erzeugen.
Da sich im Gärmedium, das zum Beispiel Gülle sein
kann, Feststoffanteile und Fremdkörper befinden
können, ist die Gefahr groß, daß Teile der
Antriebsmechanik durch diese Feststoffanteile und
Fremdkörper blockiert werden.
Aus der DE-OS 29 44 584 ist ebenfalls ein Verfahren
zur Herstellung von Biogas durch Vergärung von
dickflüssigen Medien bekannt, bei dem die Vergärung
einstufig erfolgt. Für die Durchmischung des
Gärmediums sind trichterförmige Einbauten sowie
Lochplatten vorgesehen, die im Gärbehälter in
vertikaler Richtung bewegt werden, wobei die
Vertikalbewegung wiederum durch den Gasauftrieb des
bei der Vergärung entstehenden Biogases
hervorgerufen wird. Durch die trichterförmigen
Einbauten soll die Schwimmdecke zerstoßen werden,
während die Lochplatten dazu dienen sollen, die
Biomasse aufzuwirbeln. Bei der Aufwärts- bzw.
Abwärtsbewegung der Lochplatten muß das Gärmedium
durch die Öffnungen in den Lochplatten
hindurchströmen. Es wird so eine aus zahlreichen
Einzelströmen bestehende Vertikalströmung des
Gärmediums erzeugt, die sich als für die im
Gärmedium lebenden Mikroorganismen nachteilig
erwiesen hat. Eine derartige Vertikalströmung hat
weiter den Nachteil, daß ein Teil des einströmenden
frischen Gärmediums im Gärbehälter direkt nach
oben strömt und diesen nach relativ kurzer
Verweildauer über das bei der bekannten Anlage
mittig angeordnete Abflußrohr wieder verläßt.
Dieser Teil des Gärmediums ist dann nicht ausgegoren,
wodurch die Biogasausbeute verringert wird.
Schließlich ist aus der DE-OS 34 27 976 ein Verfahren
zur Herstellung von Biogas durch Vergärung von
organischen Stoffen bekannt, bei dem die Vergärung
in einem Gärbehälter in zwei aufeinanderfolgenden
Stufen erfolgt, nämlich einer
Säuregärungsstufe und einer anschließenden
Methangärungsstufe, wobei die Durchmischung des
Gärmediums in beiden Gärkammern durch eine
Kreisumwälzung des Gärmediums von unten nach oben
erfolgt. Die hydraulische Kreisumwälzung des
Gärmediums im Reaktorraum wird mit Hilfe einer
Strahlpumpe vorgenommen. Es hat sich gezeigt, daß
diese ständige Umwälzung des Gärmediums, bei der
frisches Gärgut im gesamten Reaktorraum mit
bereits angefaultem Gärgut vermischt wird, für
die Biogasausbeute nachteilig ist, da bei
kontinuierlich betriebenem Verfahren keine
gleichbleibende Verweildauer des Gärguts im
Gärbehälter erreicht wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
demnach darin, ein Verfahren der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, daß die Biogasausbeute
bei gleichbleibender minimaler Verweildauer des
Gärguts im Behälter maximiert wird.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Anlage zur Herstellung von Biogas der eingangs
genannten Art zur Verfügung zu stellen, in der das
Gärmedium einstufig oder mehrstufig vergoren wird,
in der das Gärmedium so durchmischt wird, daß bei
gleichbleibender minimaler Verweildauer des Gärguts
im Behälter eine maximale Biogasausbeute erzielt
wird.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren,
bei dem die Durchmischung
des Gärmediums durch entlang der gesamten
Behälterachse bewegbare etwa plattenförmige
Mischkörper erfolgt, die jeweils nur eine nahezu
den gesamten Behälterquerschnitt umfassende an die
Mischkörper angrenzende Schicht durchmischen bzw.
eine Anlage zur Herstellung von Biogas, in der die
Durchmischung des Gärmediums in der vorgenannten
Weise erfolgt.
Sofern es sich um einen stehenden Behälter handelt,
werden die Mischkörper, die sich nahezu über den
gesamten Querschnitt des Behälters erstrecken, im
Behälter auf- und abbewegt. Ebensogut könnte jedoch
der Behälter auch liegend ausgeführt werden, so daß
in diesem Fall die plattenförmigen Mischkörper im
Behälter stehend, den Behälterquerschnitt im
wesentlichen abdeckend, entlang der Behälterachse
bewegt werden.
In der Beschreibung der DE-PS 31 02 739 wird davon
ausgegangen, daß die erste Stufe der Säuregärung
ausschließlich anaerob zu erfolgen hat. Es hat sich
jedoch erfindungsgemäß gezeigt, daß dies keineswegs
erforderlich ist. Vielmehr kann die erste
Säuregärungsstufe sowohl anaerob als auch zum Teil
aerob erfolgen, wobei in letzterem Fall Sauerstoff
in den Behälterabschnitt, in dem die Säuregärung
stattfindet, eingetragen werden muß. Es hat sich
nun gezeigt, daß bei somit zum Teil aerober
Durchführung der Säuregärungsstufe die Ausbeute an
Biogas sehr gut ist, wenn bestimmte
Verfahrensbedingungen eingehalten werden. Wichtig
ist dabei insbesondere, daß der Sauerstoff, der in
der Regel in Form von Luft eingebracht wird, die
Säuregärungsbakterien möglichst an allen Stellen
innerhalb der Gärkammer erreicht, das heißt, daß
das Gärmedium wirklich gleichmäßig belüftet wird.
Es ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, den
Eintrag des Sauerstoffs (der Luft) über die
Mischkörper vorzunehmen, die eine große Oberfläche
aufweisen und durch die Bewegung das Gärmedium
überall im Behälter erreichen.
Für die Durchführung des ein- oder mehrstufigen
Gärprozesses ist die Wahl der optimalen
Betriebstemperatur wichtig, die innerhalb der
Gärkammer weitgehend gleichbleibend sein sollte.
Die Bakterien sind gegen Temperaturschwankungen
sehr empfindlich und tolerieren meist
nur geringe Schwankungen Die Höhe der Temperatur
in den beiden Gärkammern ist abhängig von den
verwendeten Bakterienstämmen. Bei der anaeroben
Säuregärung wird die Temperatur in der Regel nicht
über 30°C. betragen, wobei um einige Grad
geringere Temperaturen nicht kritisch sind und
lediglich den Gärprozeß verlangsamen. Bei der auch
aeroben Säuregärung kann die Temperatur bei etwa
30° bis 50°C. liegen, eventuell sind jedoch noch
höhere Temperaturen möglich. Wenn die Temperatur
zu hoch ist, ist jedoch wegen der anschließenden
Methangärung eine Kühlung erforderlich. Bei der
Methangärung liegt die Temperatur, wenn im mesophilen
Bereich vergoren wird, bei etwa 35°±2°C.. Die
Temperatur sollte bei der mesophilen Methangärung
nicht unter 30°C. absinken. Nach dem Stand der
Technik wird das Gärmedium entweder warm in den
Behälter eingeführt oder im Behälter durch Fußboden-
oder Wandheizung oder auch durch Wärmetauscher
angewärmt. Bei Heizung des Bodens oder der Wand des
Behälters geht ein Teil der Wärme durch die
Behälterwandung verloren. Darüberhinaus entweicht
auch Wärme mit dem ausströmenden Biogas. Es ist
daher erfindungsgemäß vorgesehen, die ausschließliche
oder zumindest eine zusätzliche Aufwärmung des
Gärmediums durch Erwärmen der Mischkörper
vorzunehmen. Da sich die Mischkörper im Gärmedium
kontinuierlich auf- und abbewegen, wird dieses auch
überall gleichmäßig erwärmt. Da die Mischkörper in
das Gärmedium eintauchen, sind die Wärmeverluste
über Behälterboden und -wandung gering. Dadurch,
daß über die Mischkörper selbst erwärmt wird, indem
man zum Beispiel Warmwasser durch diese leitet,
genügt es, wenn das Wasser gegenüber dem Gärmedium
eine jeweils nur geringfügig höhere Vorlauftemperatur
aufweist. Dagegen war bei Heizung der Behälterwandung
nach dem Stand der Technik eine wesentlich höhere
Vorlauftemperatur erforderlich, was wärmetechnisch
ungünstig ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, das Gärmedium
vor dem Eintritt in den Gärbehälter mittels eines
Wärmetauschers vorzuwärmen, wobei eine Vorwärmung
auf etwa 20°-25°C. angebracht ist.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es also ohne
Belang, ob die erste Gärungsstufe mit Hilfe der
Säurebakterien aerob oder auch anaerob verläuft. Es
versteht sich jedoch, daß die anschließende
Methangärung unter Ausschluß von Sauerstoff erfolgen
muß. Bei auch aerober Säuregärung muß daher die
Säuregärkammer von der Methangärkammer abgetrennt
werden. Bei der aeroben Säuregärung kann es
vorkommen, daß aufgrund der bakteriellen
Abbauprozesse sich das Gärmedium über die gewünschte
Temperatur hinaus erwärmt. In diesem Fall ist
erfindungsgemäß vorgesehen, die überschüssige
Wärme über die Mischkörper abzuführen, zum Beispiel
indem man durch die Mischkörper Kaltwasser leitet,
und somit das Gärmedium zu kühlen. Auch hier ist
es wieder von Vorteil, daß die Mischkörper das
Gärmedium überall im Behälter erreichen, da die
Bakterien gegen Überhitzung empfindlich sind.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle
dickflüssigen Medien vergoren werden, insbesondere
ist das Verfahren für die Vergärung von Gülle oder
Klärschlamm gut geeignet. Ebenso können aber auch
andere organische Abfälle, gegebenenfalls nach
entsprechender Aufbereitung, vergoren werden oder
auch dünnflüssigere vergärbare Medien wie zum
Beispiel Molke.
Da beispielsweise in einem landwirtschaftlichen
Betrieb ständig Gülle anfällt und die Verweildauer
der Gülle im Gärbehälter weitgehend konstant sein
sollte, ist eine kontinuierliche Zufuhr der Gülle,
zum Beispiel über einen Zeitraum von 24 Stunden,
sinnvoll. Hierfür hat sich erfindungsgemäß eine
pneumatische Fördereinrichtung zum Beispiel eine
mit Druckluft betätigte spezielle Pumpe als gut
geeignet erwiesen, mit deren Hilfe die Gülle aus einem
Vorratsbehälter schubweise in den Gärbehälter gepumpt
wird. Die von einem Kompressor erzeugte Druckluft hat
als Pumpmedium den Vorteil, daß sie sehr genau dosiert
werden kann. Des weiteren enthält diese Pumpe keine
beweglichen Teile, durch die die Gülle aufgewühlt
wird, so daß für die Bakterien schädliche Turbulenzen
vermieden werden. Die Pumpe ist Gegenstand einer
gesonderten Anmeldung des Anmelders. Damit
gegebenenfalls eine Übersäuerung des Gärmediums
verhindert werden kann, wird der pH-Wert des
Gärmediums beim Verlassen der Säuregärungsstufe
gemessen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man durch
die Änderung der Geschwindigkeit der Axialbewegung
der Mischkörper die Dicke der an die Mischkörper
angrenzenden durchmischten Schicht variieren.
Werden die Mischkörper langsam bewegt, ist die
Dicke der an die Mischkörper angrenzenden
durchmischten Schicht relativ gering, bei schnellerer
Bewegung der Mischkörper nimmt die Dicke der
durchmischten Schicht zu. Nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren kann man auch nur eine begrenzte Schicht
des Gärmediums in einer bestimmten Höhe des
Behälters durchmischen, falls dies erforderlich
ist. Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren erfolgt
die Axialbewegung der Mischkörper über einen von
außen steuerbaren Antrieb und somit kontrolliert.
Es hat sich als wesentlich herausgestellt, daß
das Gärmedium beim Verlassen des Bereichs, in dem
die Säuregärung stattfindet, rasch über den gesamten
Querschnitt der entsprechenden Schicht des
Behälterabschnittes, in dem die Methangärung
stattfindet, verteilt wird. Andernfalls bilden sich
beim Eintritt des relativ sauren Gärguts in den
Methanbereich Zonen mit zu hoher Säurekonzentration,
in denen die Methanbakterien absterben. Dabei wird
jedoch erfindungsgemäß das aus dem Säurebereich in
den Methanbereich gelangende Gärgut nicht über den
gesamten Behälterbereich der Methangärung verteilt.
Wenn zum Beispiel bei einem stehenden Behälter die
Verbindung zwischen Säuregärbereich und
Methangärbereich in Nähe des Behälterbodens ist
und das Gärgut in Behältermitte in den Bereich
eintritt, in dem die Methangärung stattfindet,
wird erfindungsgemäß dieses Gärgut möglichst rasch
über den gesamten Behälterquerschnitt nach außen
verteilt, so daß eine lokal überhöhte
Säurekonzentration verhindert wird. Dabei weist die
in Nähe des Behälterbodens befindliche Schicht des
Gärmediums in etwa überall das gleiche Gärstadium,
in diesem Fall ein frühes Gärstadium, auf. Je weiter
man im Behälter nach oben geht, desto weiter
fortgeschritten ist das Gärstadium des Gärmediums.
Folglich nimmt auch die Konzentration der Bakterien,
die naturgemäß dort am höchsten ist, wo am meisten
Nährstoffe vorhanden sind, im Gärbehälter mit
zunehmender Entfernung vom Behälterboden ab.
Erfindungsgemäß ist es beabsichtigt, das
Gärgut so zu durchmischen, daß in jeder Höhe des
Behälters Gärgut mit etwa gleichem Ausfaulstadium
über den Behälterquerschnitt vermischt wird, dabei
jedoch die einzelnen Ausfaulstadien entsprechend
der jeweiligen Entfernung vom Behälterboden und
vom Austritt aus der Säuregärung erhalten bleiben.
Bei kontinuierlich betriebenem Verfahren ist die
Verweildauer des Gärmediums im Behälter immer
ungefähr gleich. Tritt Gärmedium in Nähe des
Behälterbodens in den Methangärbereich ein,
sollte ausschließlich vollständig ausgegorenes
Gärmedium nach entsprechender Verweildauer im
Gärbehälter im oberen Bereich den Behälter
wieder verlassen. Durch diese Verfahrensweise
wird eine Maximierung der Biogasausbeute
erzielt. Die vorstehenden Ausführungen beziehen
sich auf die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit einem stehenden Behälter mit
einer inneren Säuregärungskammer, die konzentrisch
von der Methangärungskammer umgeben ist und
gelten in entsprechender Weise für andere
Behältertypen.
Weiter betrifft die Erfindung eine Anlage zur
Herstellung von Biogas durch Vergärung von
vorzugsweise dickflüssigen Medien der eingangs
genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Durchmischung durch entlang
der gesamten Behälterachse bewegbare etwa
plattenförmige Mischkörper erfolgt, die jeweils
nur eine nahezu den gesamten Behälterquerschnitt
umfassende an die Mischkörper angrenzende Schicht
durchmischen. Diese plattenförmigen Mischkörper
können zum Beispiel Betonplatten sein, die in
Behälter in axialer Richtung bewegt werden.
Bei einem stehenden Gärbehälter können die
Mischkörper im Behälter aufgehängt werden und
in vertikaler Richtung angehoben bzw. abgesenkt
werden. Das Anheben der Mischkörper kann zum
Beispiel durch Aufwickeln der Aufhängungsseile
auf eine oben im Behälter angebrachte um ihre
horizontale Achse drehbare Walze erfolgen. Wenn,
wie vorzugsweise vorgesehen, die Vergärung der
Gülle in zwei Stufen erfolgt, einer ersten
Säuregärungsstufe und einer sich daran anschließenden
Hauptgärungsstufe, kann der Gärbehälter zum Beispiel
aus einer inneren ringförmigen Säuregärungskammer
bestehen, die ein Gasentlüftungsrohr aufweist,
durch das die entstehenden nicht brauchbaren Gase,
hautpsächlich CO2, H2 und H2S entweichen können.
Die Vorschaltung der Säuregärung kann insbesondere
bei der Verarbeitung von Rindergülle vorteilhaft
sein, wenn deren pH-Wert recht hoch liegt. Da die
Säurebakterien Säure entwickeln, wird somit der
pH-Wert gesenkt. Um für die Methanbakterien der
Hauptgärung gute Lebensbedingungen zu erhalten,
wird der pH-Wert beim Verlassen der Säuregärung
kontrolliert. Durch eine Öffnung in Nähe des
Behälterbodens ist die Säuregärungskammer mit
dem Hauptgärraum verbunden, in dem die
Methanbakterien das Biogas entwickeln. Im oberen
Bereich des Hauptgärraums befindet sich die
Abführleitung für das Biogas. Dabei ist es
vorteilhaft, wenn man die Biogasleitung durch
den Behälter hindurchführt, da so vermieden wird,
daß die Biogasleitung, durch die Gase mit einem
relativ hohen Feuchtigkeitsgehalt geleitet werden,
im Winter einfriert.
Gemäß einer Variante der Erfindung kann der Behälter
für die erfindungsgemäße Biogasanlage auch so
ausgebildet sein, daß die eine Behälterhälfte
als Säuregärungskammer und die andere Behälterhälfte
als Hauptgärkammer dient, wobei dann die
Säuregärkammer von der Hauptgärkammer durch eine
vertikale Trennwand abgeschlossen ist. Außerdem ist
die Säuregärkammer nach oben hin durch eine
Verschlußdecke abgeschlossen. Zwischen den beiden
Gärkammern besteht vorzugsweise in Bodennähe des
Behälters eine Verbindungsöffnung in der Trennwand,
durch die die Gülle beim Verlassen der
Säuregärungskammer in die andere Gärkammer gelangen
kann. Dabei hat es sich im Gegensatz zu der aus der
DE-C 31 02 739 bekannten Biogasanlage
erfindungsgemäß als vorteilhaft erwiesen, die
beiden Gärkammern etwa gleich groß auszubilden.
Der Ablauf der Säuregärung kann bei der
erfindungsgemäßen Anlage zum einen über die
Kontrolle der Temperatur, das heißt je nach Bedarf
Erwärmung oder Kühlung des Gärmediums, und zum
anderen bei der aeroben Säuregärung über den
Lufteintrag in das Gärmedium kontrolliert werden.
Dabei hat sich gezeigt, daß durch einen besseren
Abbau der hochmolekularen Stoffe in der
Säuregärungsstufe die Biogasausbeute in der
anschließenden Methangärung erhöht wird. Somit
erscheint es nicht zweckmäßig, im
Reaktorraum eine volumenmäßige Aufteilung von
Säurephase zu Methanphase im Verhältnis 1:10
vorzunehmen.
Es sei an dieser Stelle jedoch betont, daß die
erfindungsgemäße Anlage sowohl für ein Verfahren
zur Erzeugung von Biogas mit als auch ohne
vorgeschaltete Säuregärung eingesetzt werden kann,
und daß, wenn eine Säuregärung vorgesehen ist, diese
anaerob oder zum Teil aerob erfolgen kann. Die
erfindungsgemäße Anlage, bei der es auf die Art
der Durchmischung des Gärmediums ankommt, ist
also in der Anwendung nicht auf ein Verfahren
gemäß Anspruch 2 dieser Anmeldung beschränkt.
In bevorzugter Weise ist vorgesehen, daß sowohl die
Mischkörper für die innere Säuregärungskammer als
auch die Mischkörper für den Hauptgärraum mit Seilen
verbunden sind, die sich auf ein und dieselbe Walze
aufwickeln, so daß die Mischkörper, die für die
Durchmischung in beiden Kammern sorgen, durch Antrieb
der Walze gleichzeitig bewegt werden können. Die
Mischkörper für den Hauptgärraum, in der Regel zwei
gleichgroße Betonplatten, sind dabei zum Beispiel
mit Drahtseilen an der Walze so aufgehängt, daß sich
bei deren Drehung die Mischkörper jeweils
gegenläufig bewegen, so daß die Antriebskraft für
die Walze gering ist. Während sich der eine
Mischkörper durch Abwicklung des Seils von der
Walze langsam nach unten bewegt, bewegt sich der
andere Mischkörper in der anderen Behälterhälfte
nach oben, wobei sich dessen Befestigungsseile
auf die Walze aufwickeln. Die Verwendung von
Mischkörpern aus Beton hat den Vorteil, daß diese
korrosionsfest sind. Man kann auch ohne weiteres
bereits im Betrieb befindliche herkömmliche
Behälter zur Herstellung von Biogas mit den
erfindungsgemäßen Mischkörpern nachrüsten. Die
Mischkörper können dabei wegen des hohen Gewichts
im Behälter gegossen werden, so daß der Transport
entfällt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die
Mischkörper mit Drahtseilen an jeweils drei Punkten
mit jeweils drei Seilen aufzuhängen, so daß sich
beim Drehen der Walze die Mischkörper reibungslos
ohne die Gefahr der Verkantung im Behälter auf- und
abbewegen können. Für eine bessere Durchmischung des
Gärmediums ist es vorteilhaft, die Mischkörper so
aufzuhängen, daß diese um einige Grad zur
Behältermittelachse hin geneigt sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anlage erfolgt die Aufheizung des Gärmediums über die
Mischkörper, in denen z.B. nach Art einer
Fußbodenheizung Warmwasserrohre verlegt sind. Auf
diese Weise wird eine sehr gleichmäßige Erwärmung
erreicht, bei der keine Temperaturgradienten
im Behälter, z.B. von innen nach außen, auftreten.
Außerdem werden so die Wärmeverluste über
Behälterwandung und -boden minimiert. Man kann
erfindungsgemäß in die Mischkörper eine
Temperaturmeßeinrichtung wie ein oder mehrere
Thermofühler einbauen, so daß die Temperatur
überall im Behälter gemessen werden kann.
Die weiteren in den Unteransprüchen genannten
Merkmale haben vorteilhafte Weiterbildungen der
erfindungsgemäßen Anlage zum Inhalt und werden im
einzelnen anhand der Figurenbeschreibung erläutert.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Anlage zur Herstellung von Biogas aus Gülle;
Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch die Anlage
gem. Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch einen Mischkörper in
vergrößerter Darstellung;
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der Walze für die
Aufhängung der Mischkörper;
Fig. 5 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeiles
IV von Fig. 4;
Fig. 6 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Behälter mit Darstellung
der Strömungsverhältnisse;
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Anlage gemäß
einer Variante der Erfindung mit aerober
Säuregärung;
Fig. 8 einen horizontalen Schnitt durch die Anlage
gemäß Fig. 7;
Fig. 9 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines
Mischkörpers.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die
Darstellung zeigt eine Anlage zur Herstellung von
Biogas aus Gülle bei der ein kreiszylindrischer
Behälter 21 vorgesehen ist, der auf einem Fundament 20
steht. Die Gülle wird mittels einer Pumpe 22,
vorzugsweise mit Hilfe von mittels eines Kompressors
erzeugter Druckluft über die Zuleitung 2 von unten
in den Behälter gepumpt. Dabei gelangt die Gülle
zunächst in eine innere zylindrische Aufwärmzone 1,
deren Wandung von einem Wärmetauscher 3 gebildet wird.
Der Wärmetauscher 3 ist ein doppelwandiger Raum, durch
den zum Beispiel Warmwasser geleitet wird. Das
Einpumpen der Gülle erfolgt relativ langsam, und zwar
schubweise, jedoch wird ständig Frischgülle in den
Behälter gepumpt, während verbrauchte Gülle ständig
den Behälter verläßt, so daß die Anlage insgesamt
kontinuierlich betrieben wird. Wenn zum Beispiel in
einem landwirtschaftlichen Betrieb pro Tag 10 m3 Gülle
anfallen, werden stündlich gut 0,4 m3 Gülle in den
Behälter gepumpt. Die auf vorzugsweise 20°-25°C
aufgewärmte Gülle gelangt dann in die ringförmige
Säuregärungskammer 4, in der die Vorgärung durch
Säurebakterien stattfindet. Die dabei anfallenden
Gase, im wesentlichen CO2, H2 und H2S können den
Behälter über das Entlüftungsrohr 6 verlassen. Die
Säuregärungskammer 4 ist über die zylindrische
Wandung 15 vom Hauptgärraum 10 abgetrennt, wobei
jedoch in Nähe des Behälterbodens die Wandung 15
endet, so daß sich eine zylindrische Öffnung 9 zum
Hauptgärraum ergibt, die vorgegorene Gülle gelangt
über die Öffnung 9 dann in den ebenfalls ringförmigen
Hauptgärraum 10.
Es ist eine pH-Meßvorrichtung 46 vorgesehen, mit der
der pH-Wert der Gülle beim Verlassen der
Säuregärungskammer gemessen werden kann. In diesem
Hauptgärraum 10 findet der eigentliche Gärprozeß
statt, in dem mit Hilfe von Methanbakterien das Biogas
entwickelt wird. Das entstandene Biogas kann über
eine Rohröffnung in Nähe der Behälterdecke und eine
Abführleitung 16 entweichen, wobei die Biogasleitung
aus Frostschutzgründen in vorteilhafter Weise durch
den Behälter von oben nach unten hindurchgeführt
wird. Die zylindrische Außenwandung des Hauptgärraums
10 ist mit 34 bezeichnet. Für den Auslauf der
ausgegorenen Gülle ist ein Überlaufrohr 41 im
Behälter vorgesehen, das sich im Hauptgärraum 10
neben der Wandung 15 zur Säuregärkammer 4 befindet.
Die Höhe des Überlaufrohrs 41 bestimmt sich nach
der maximal vorgesehenen Füllhöhe des Behälters. Das
Überlaufrohr ist durch den Behälterboden durchgeführt
und weist in dem Raum unter dem Behälter ein
siphonartiges Knie 42 auf, durch das verhindert wird,
daß das Biogas über den Überlauf den Behälter
verläßt.
Im Säuregärraum 4 herrscht über der Gülle
Atmosphärendruck, wohingegen im Hauptgärraum über
der Gülle ein Überdruck von ca. 35 mbar herrscht,
der ausreichend ist, daß das Biogas mit genügend
hoher Geschwindigkeit über die Leitung 16 ausströmen
kann.
Im oberen Bereich des Behälters ist eine Walze 8
gelagert, die zum Beispiel mittels eines Motors um
ihre horizontale Achse 29 drehbar ist. Als Mischkörper
sind für den Hauptgärraum zwei gleiche Betonplatten
11 vorgesehen, die mit Seilen 25, 26 bzw. 23, 24 an
der Walze 8 aufgehängt sind, wobei sich bei Drehung
der Walze 8 die Seile 25, 26 von der Walze abwickeln,
während sich gleichzeitig die Seile 23, 24, an denen
der andere Mischkörper hängt, aufwickeln, so daß sich
der linke Mischkörper nach unten und der rechte
Mischkörper nach oben bewegt bzw. umgekehrt. In der
Behälterdecke 13 ist eine Mannluke 17 vorgesehen, so
daß man bei Bedarf in den Behälter hineinschauen oder
einsteigen kann. Für die Durchmischung in der inneren
Säuregärkammer 4 ist vorzugsweise ein ringförmiger
Mischkörper 5 vorgesehen, der als Schwimmkörper
ausgebildet ist. Der Schwimmkörper kann zum Beispiel
aus Polyester sein oder ein luftgefüllter Hohlkörper
aus Gummi oder dergleichen. An dem Schwimmkörper 5 sind
ebenfalls Seile 27, 28 befestigt, die sich auf der
Walze 8 aufwickeln können, und die über untere
Umlenkrollen 7 geführt sind. Werden nun die Seile 27,
28 bei Drehung der Walze von dieser abgewickelt, kann
der Schwimmkörper 5 langsam aufschwimmen und sorgt so
für eine Durchmischung der Gülle im Säuregärraum 4,
ohne daß dabei stärkere Strömungen entstehen, die die
Bakterien beeinträchtigen. Durch die Aufhängung der
Mischkörper ist es demnach möglich, bei Drehung der
Walze sowohl die Mischkörper 11 als auch den
Schwimmkörper 5 gleichzeitig zu bewegen und somit mit
nur einem Antrieb die Gülle in beiden Gärräumen 4,
10 zu durchmischen.
Der ringförmige Mischkörper im Innenraum kann aber
ebenfalls aus Beton oder dergleichen sein und an der
Walze 8 mit Seilen direkt aufgehängt werden, so daß
die Umlenkrollen und die mit diesen verbundene
Mechanik entfallen kann.
Durch die Ausbildung der Mischkörper wird quasi
der gesamte Gärraum erfaßt. Man kann auch die Walze 8
anhalten und das Gärgut nur schichtweise in
verschiedenen Höhen bewegen. Da der Grad der
Vergärung des Gärguts im Behälter von unten nach
oben fortschreitet, können die Ausfaulphasen erhalten
bleiben. Bei der Durchmischung in vertikaler Richtung
wird die Ausbildung einer Schwimmdecke und eines
eventuellen Bodensatzes im Behälter verhindert.
Da das frische Gärgut schnell mit den Methanbakterien
des angefaulten Gärgutes in Kontakt kommt, wird der
Beginn des Gärprozesses beschleunigt. Das erfindungs
gemäße Verfahren hat somit gegenüber bekannten
Verfahren den zusätzlichen Vorteil, daß eine Impfung
des Gärmediums mit einem Bakterienkonzentrat entfallen
kann. Da die Gärung ohne Totzeit sofort in Gang
kommt, kann eine sehr kurze Verweildauer des Gärgutes
in der Hauptgärkammer erzielt werden, die bei etwa
2 bis 3 Tagen liegt. Da die ausgegorene Gülle
weitgehend durch Frischgülle verdrängt wird, geht
kein Gärraum verloren. Durch den Wärmetauscher 3
ist die Temperatur in der Säuregärkammer 4
praktisch konstant. Da die Säurebakterien optimale
Lebensbedingungen vorfinden, können sie den
Sauerstoffgehalt der Gülle auf ein Minimum reduzieren.
Dies wird auch durch die gleichmäßige
Durchmischung mit Hilfe des Schwimmkörpers 5 in
schonender Weise unterstützt. Durch den geringen
Sauerstoffgehalt der Gülle beim Eintreten in den
Hauptgärraum 10 wird dort der Gärprozeß
beschleunigt und somit die Verweildauer der Gülle
verringert. Da durch die behutsame Durchmischung
der Gülle im Hauptgärraum 10 keine für die
Methanbakterien störenden Strömungen und Turbulenzen
auftreten, werden auch deren Lebensbedingungen
begünstigt. Die Ausbeute an Biogas wird somit erhöht.
Die erfindungsgemäße Anlage ist auch für Gülle mit
einem höheren Anteil an unzerkleinerten Feststoffen
sowie für alle vergärbaren dickflüssigen aber auch
dünnerflüssigen Medien geeignet.
Wie Fig. 2 zeigt, sind zwei gleiche Mischkörper 11
vorgesehen, deren Umriß einem Halbkreissektor
entspricht, wobei wegen der Säuregärkammer 4 innen
jeweils eine halbkreissektorförmige Ausnehmung ist.
Die beiden Mischkörper 11 erfassen so nahezu den
gesamten Behälterquerschnitt bis auf die verbleibenden
Randzonen, an denen die Gülle bei Bewegung der
Mischkörper vorbeiströmt. Die Mischkörper sind
jeweils an drei Seilen 25, 26, 32 aufgehängt, wobei
die Aufhängepunkte 30, 31, 33 z.B. auf einem
Kreisbogen angeordnet sein können, dessen Mittelpunkt
die Behälterachse ist. Einer der Aufhängepunkte 30
liegt dabei nahezu unterhalb der Walze, so daß das
Seil 25 etwa senkrecht hängt, während die anderen
beiden Seile 26, 32 schräg geführt sind. Ein
gleichmäßiges Aufwickeln der drei Seile auf die Walze
und somit einen reibungslosen Bewegungsablauf
kann man wegen der unterschiedlichen Länge der Seile
25 einerseits und 26 und 32 andererseits dadurch
erreichen, daß man die Dicke der Walze variiert.
Um die Strömungsverhältnisse im Behälter zu optimieren
wie weiter unten erläutert wird, weisen die Mischkörper
eine umlaufende vertikale Aufkantung 12, zum Beispiel
in Form eines Blechs, auf, wobei jedoch jeweils der
mittlere kreisbogenförmige Bereich 18 keine Aufkantung
hat.
Fig. 3 zeigt einen Mischkörper 11 für den Hauptgärraum,
der als Betonplatte ausgebildet ist. Die Betonplatte
ist dabei mit den Seilen 25, 32 vorzugsweise so im
Behälter aufgehängt, daß die Platte einen Neigungswinkel
α von wenigen Grad zur Horizontalen aufweist. In der
Betonplatte sind als Heizvorrichtung Warmwasserrohre 35,
zum Beispiel nach Art einer Fußbodenheizung mäanderförmig
verlegt. In den Mischkörper können außerdem
Temperaturmeßvorrichtungen eingebaut werden. Die Zu-
und Ableitung des Warmwassers geschieht mittels der
Schläuche 36. Die Seile der Aufhängevorrichtung 25, 32
sind über Anker 30, 33, die zum Beispiel in Beton
eingegossen sind, an dem Mischkörper 11 befestigt.
Am Außenrand weist die Mischkörperplatte 11 eine
umlaufende Aufkantung 12 aus Beton oder in Form eines
Blechs auf.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Walze 8,
auf der die Halteseile für die Mischkörper aufgewickelt
werden. Die Walze 8 dreht sich um ihre horizontale
Achse 29. Die Seile sind durch geeignete
Befestigungsmittel an ihren Endpunkten 38, 39 auf der
Walze befestigt. Damit ein reibungsloses Aufwickeln
der Seile 26, 32 auf die Walze gewährleistet ist, ist
es besser, wenn sich die Seile so aufwickeln, daß in
Richtung der Walzenachse jeweils abwechselnd einer
Wicklung des Seiles 26 eine Wicklung des Seiles 32
folgt. Die Seile 26, 32 wickeln dann sauber
nebeneinander und nicht übereinander auf, was zu
einem Verklemmen der Seile führen würde. Dabei ist
es so, daß das Seil 32, das sich bei Drehung der Walze
aufwickelt, eine Führung für das andere Seil 26
bildet, so daß ein sauberes Aufwickeln der Seile
jeweils nebeneinander erfolgt.
Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen, die die
Strömungsverhältnisse im Behälter bei Bewegung der
Mischkörper noch einmal verdeutlicht. Im inneren
Säuregärraum 4 strömt die Gülle bei Bewegung des
Schwimmkörpers 5 in Pfeilrichtung nach unten, in
einer Aufwärtsbewegung seitlich am Schwimmkörper 5
vorbei und somit der frisch am oberen Ende der
Aufwärmzone 1 in die Säuregärkammer 4 gelangenden
Gülle entgegen. Bei entsprechend langsamer Bewegung
des Schwimmkörpers erfolgt die Aufwärtsströmung ganz
langsam, so daß der Gärvorgang nicht gestört wird.
Da ständig frische Gülle nachgepumpt wird, strömt
die Gülle am unteren Ende der Säuregärkammer durch
die Öffnung 9 in den Hauptgärraum 10. Es ist nun
wichtig, daß verhindert wird, daß die Gülle von dort
entlang der Wandung zwischen den beiden Gärkammern
auf dem kürzesten Weg nach oben strömt und so in das
Überlaufrohr 41 (nicht dargestellt) gelangt. Die
Verweildauer dieser Gülle im Behälter wäre dann für
eine ausreichende Vergärung zu kurz. Deshalb haben
die Mischkörper 11 an den Rändern die Aufkantung 12,
die jedoch im Bereich des inneren Kreisbogens nicht
besteht, so daß in diesem Bereich 18 die
Mischkörperplatte flach ist. Die durch die Öffnung 9
in den Hauptgärraum 10 einströmende Gülle strömt,
wenn sich die Mischkörperplatte 11 in Höhe der
Öffnung befindet, unter der Platte durch, im Behälter
radial nach außen und dort an dem Mischkörper
vorbei. Die einströmende Frischgülle erreicht so
in kurzer Zeit die äußeren Randzonen des Behälters
43, in denen sich Gülle in einem bereits weiter
fortgeschritteten Gärstadium befindet und verdrängt
diese. Durch die Aufkantung 12 am Rand des
Mischkörpers tritt die umgekehrte Strömung von außen
über den Rand der Aufkantung nach innen, bei der der
Strömungswiderstand wesentlich höher wäre, nicht auf.
Die besondere Ausbildung der Mischkörper sorgt
demnach für eine praktisch 100%ige Ausfaulrate des
Gärguts. Außerdem verhindert die Erwärmung der Gülle
über die Mischkörper, die mit der Gülle in allen
Bereichen des Behälters in Kontakt gelangen, die
Ausbildung von Kälte- oder Wärmestern.
Bei der Bewegung der Mischkörper nach unten (siehe
linker Mischkörper in der Darstellung gemäß Fig. 6)
strömt die Gülle an beiden Seiten des Mischkörpers,
also innen und außen, vorbei und unter der Platte
radial von der Plattenmitte nach innen und außen
aber über der Platte von außen und innen radial zur
Plattenmitte. Bei der Aufwärtsbewegung der
Mischkörper (rechter Mischkörper in der Darstellung
gemäß Fig. 6) strömt die Gülle unter der Platte von innen
nach außen (siehe auch Pfeile 48 in Fig. 2) und
über der Platte von der Aufkantung radial nach innen
(siehe auch Pfeile 47 in Fig. 2). Da der
Mischkörper jedoch eine leichte Neigung zur
Behältermitte hin aufweist, wird über der Platte
die Strömung von außen nach innen noch verstärkt.
Hierdurch wird also der vorbeschriebene Effekt, der
die gleichmäßige Durchmischung von Frischgülle mit
der in den Außenzonen befindlichen Alt-Gülle bewirkt,
unterstützt. Der rechte Mischkörper in der
Darstellung erzeugt also in der Aufwärtsbewegung
eine Art Kreisströmung um die Mischkörperplatte,
die unter dem Mischkörper horizontal von innen nach
außen und über dem Mischkörper von außen nach innen
verläuft. Dieser Strömungsverlauf läßt einen
Austausch der Gülle von der Behältermitte zu den
Randzonen zu, nicht jedoch einen Austausch zwischen
der Gülle aus dem Bodenbereich des Behälters mit
Gülle, die sich in mittlerer Höhe oder im oberen
Behälterbereich befindet, so daß die verschiedenen
Gärstadien je nach Abstand vom Behälterboden
erhalten bleiben. Die Durchmischung der Gülle durch
Bewegung der plattenförmigen Mischkörper 11 in
vertikaler Richtung hat folgenden weiteren Vorteil.
Wenn die Bakterien ihr Stoffwechselprodukt Methan
entwickeln, bilden sich Millionen sehr kleiner
Bläschen. Wegen des Feststoffanteils in der Gülle
können diese winzigen Bläschen mit ihrem geringen
Auftrieb nicht schnell genug nach oben aufsteigen.
Es besteht dadurch die Gefahr, daß sich das
Stoffwechselprodukt der Bakterien im gesamten
Gärbereich anreichert. Dadurch werden die
Lebensbedingungen der Bakterien verschlechtert, es
kann zur Absterbung der Bakterien führen. Somit ist
es erwünscht, das Stoffwechselprodukt so schnell
wie möglich abzuführen. Da die plattenförmigen
Mischkörper eine große Oberfläche aufweisen und
bei Bewegung der Mischkörper die winzigen Bläschen
mit den angewärmten Platten in Kontakt gelangen,
findet an den Plattenflächen eine Vereinigung kleiner
Bläschen zu größeren Bläschen statt. Die größeren
Bläschen haben eine größere Auftriebskraft, die das
Aufsteigen erleichtert und die Entleerung des
Behälters mit dem Stoffwechselprodukt der
Bakterien, das heißt dem Biogas, wird so
beschleunigt. Die im Behälter von unten nach oben
zunehmende Größe der Bläschen ist in der
Darstellung gemäß Fig. 1 angedeutet.
Durch die Geschwindigkeit der Vertikalbewegung der
Mischkörper kann die Dicke der jeweils oberhalb bzw.
unterhalb der Mischkörper durchmischten Gülleschicht
bestimmt werden. Bei langsamer Bewegung der
Mischkörper wird nur eine Schicht geringer Dicke
(Höhe) oberhalb und unterhalb der Mischkörperplatten
bewegt und durchmischt. Bei schnellerer Bewegung
nimmt diese Dicke der bewegten Schicht zu.
Bei der in den Fig. 1 und 6 dargestellten Variante
der erfindungsgemäßen Anlage wird von einem stehenden
im wesentlichen kreiszylindrischen Behälter
ausgegangen. Der Behälter kann jedoch ebensogut einen
rechteckigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Der erfindungsgemäße Behälter muß auch nicht
stehend ausgebildet sein, sondern kann vielmehr auch,
ähnlich zum Beispiel wie ein Heizöltank, liegend
ausgeführt werden. Bei einem solchen liegenden
Gärbehälter werden die Mischkörper zur Durchmischung
der Gülle ebenfalls als Platten ausgebildet und im
Behälter langsam in axialer Richtung bewegt. In
diesem Fall ist es nicht möglich, die Mischkörper
an Seilen im Behälter aufzuhängen. Statt dessen
können die Mischkörper jedoch mit Hilfe von im
Behälter angeordneten Schienen und geeigneten
Antriebsmitteln im Behälter bewegt werden. Die
Mischkörper werden dann in den Schienen geführt
und durch die Antriebsmittel in axialer Richtung
verschoben. Die Durchmischung erfolgt dann in
analoger Weise, wie bei dem in den Fig. 1 und 6
dargestellten Behälter, so daß auch bei einer solchen
Anlage die oben beschriebenen Vorteile der
Durchmischung gegeben sind.
Im folgenden wird anhand der Fig. 7 bis 9 eine
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und der
erfindungsgemäßen Anlage näher beschrieben. Bei dieser
Ausführungsform der Anlage besteht der Behälter 21
aus der Säuregärkammer 50 und der Hauptgärkammer 51,
die durch eine Trennwand 56, die quer durch den
Behälter verläuft, voneinander getrennt sind. Die
Säuregärkammer 50 ist oben durch eine Verschlußdecke
52 verschlossen. An diese Verschlußdecke schließt
sich seitlich eine Glocke an, deren obere Wandung
höher liegt, als die Verschlußdecke 52. Diese Glocke
dient im wesentlichen als Schaumfalle. Die in der
Säuregärkammer 50 entstehenden nicht brauchbaren Gase,
nämlich im hauptsächlichen CO2, H2 und H2S, können
in der Kammer nach oben hin über die Glocke 65 und
ein Gasableitrohr 64 aus dem Behälter 21 entweichen.
Bei dieser Anlage wird z.B. Gülle zunächst über das
Zuleitungsrohr 53 in den Behälter gepumpt. Das
Zuleitungsrohr 53 ist etwas seitlich von der Mitte
des Behälters angeordnet. Die eingepumpte Gülle steigt
in diesem Rohr nach oben, bis sie die Abzweigung zu
dem Rohr 55 erreicht hat und fließt dann über das
Rohr 55 in die Säuregärkammer 50. Aus
Sicherheitsgründen ist am oberen Ende des
Zuleitungsrohrs 53 eine Entlüftung 54 für die in dem
Zuleitungsrohr 53 sich entwickelnden Gase vorgesehen.
Diese Gase steigen nach oben und können am oberen
Ende 54 des Rohrs entweichen. Falls es erforderlich
ist, wird der Gärbehälter mit einem Überdruckventil
versehen. Auch für das Zuleitungsrohr 53 ist bereits
ein Mischkörper 57 vorgesehen, der ebenfalls an der
Walze 63 im Behälter aufgehängt wird. Auch dieser
Mischkörper ist vorzugsweise aus Beton. Der
Mischkörper ist wegen der Enge des Rohrs etwa
zylindrisch ausgebildet und hat eine kegelige Spitze,
das heißt insgesamt etwa die Form einer Granate.
Das Eigengewicht des Mischkörpers 57 reicht , wenn
dieser aus Beton ausgebildet ist, in der Regel aus,
um bei dessen Absenken die Gülle im Zuleitungsrohr
53 zu durchmischen, auch wenn diese Festkörperanteile
enthält. Durch die Durchmischung der Gülle im
Zuleitungsrohr wird außerdem im Rohr ein
Temperaturausgleich erzielt und ein Temperaturprofil
von innen nach außen verhindert. Dadurch ist der
Wärmeaustausch zwischen der kühleren Frischgülle im
Zuleitungsrohr und der wärmeren Altgülle im
Ablaufrohr 59 optimiert. In der Säuregärkammer
findet dann die Säuregärung statt.
Wenn diese Säuregärung aerob verlaufen soll, wird
die Gülle in der Säuregärkammer 50 über den dort
aufgehängten plattenförmigen Mischkörper 61
belüftet. In diesem Mischkörper 61 sind Rohre 67
verlegt mit Verbindungsstücken, die Öffnungen zur
Oberfläche des Mischkörpers hin aufweisen. Dabei ist
es vorteilhaft, wenn Mittel vorgesehen sind, die
Luftauslaßöffnungen an der Mischkörperoberfläche
zu verschließen, damit keine Gülle in die
Luftleitungen eindringen kann. Die Versorgung der
Rohrleitungen 67 im Mischkörper mit Luft oder
Sauerstoff geschieht über mit diesen verbundene
aus dem Mischkörper 61 herausgeführte
Schleppschläuche 68. Solche Schleppschläuche sind
im Prinzip zum Beispiel von Hydraulikschläuchen bei
Aufzügen her bekannt. Die Schleppschläuche 68 werden
deshalb verwendet, da ja die Mischkörperplatte 61
im Behälter mittels der Seile auf- und abbewegt wird
und bei dieser Bewegung die Schläuche nicht
hinderlich sein dürfen. Nach der Säuregärung kann
die Gülle die Säuregärkammer 50 über eine Öffnung in
der Trennwand 56 in Nähe des Behälterbodens verlassen.
Diese Verbindungsöffnung 69 ist dabei relativ klein,
zum Beispiel bei rechteckiger Ausführung etwa 20 cm
×30 cm, damit keine ungewollte Durchmischung der
Gülle aus der Säuregärungskammer 50 mit der Gülle
aus der Hauptgärkammer 51 eintritt. Es können auch
zwei solche Verbindungsöffnungen vorgesehen sein, die
rechts und links des Zuleitungsrohrs 53 liegen.
Die Gülle gelangt somit in die Hauptgärkammer 51
in Nähe des Bodens, wo die eigentliche Methangärung
beginnt. Das sich entwickelnde Biogas steigt in
der Hauptgärkammer 51 nach oben und wird wiederum
durch ein Methanableitrohr 16 aufgefangen und aus
dem Behälter abgeführt. Das Methanableitrohr kann
wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 durch die
Gülle hindurchgeführt werden, damit es nicht
einfriert. Der Flüssigkeitspegel 70 in der
Hauptgärkammer kann so hoch liegen, daß die
Verschlußdecke 52 der Säuregärkammer 50 bedeckt wird.
Die Höhe des Flüssigkeitspegels in der
Hauptgärkammer 51 wird durch ein Ablaufrohr 59
für die ausgegorene Gülle der Hauptgärkammer
bestimmt. Dieses Ablaufrohr 59 ist als Überlaufrohr
ausgebildet, so daß die ausgegorene Gülle der
Hauptgärkammer oben in dieses Ablaufrohr einläuft.
Das Ablaufrohr 59 ist dabei konzentrisch um das
Einlaufrohr 53 für die Gülle, das zur
Säuregärkammer 50 führt, angeordnet. Die Gülle läuft
dann über den Auslauf 58. Die konzentrische
Anordnung des Ablaufrohrs um das Einlaufrohr hat den
Vorteil, daß ein direkter Wärmeaustausch zwischen
der kühleren Frischgülle und der warmen verbrauchten
Gülle über die Wandung des Einlaufrohrs 53
stattfindet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß wegen
der dickflüssigen Konsistenz der Gülle, die auch
Festkörperanteile enthält, in dieser keine
thermische Zirkulation und somit kein ausreichender
Wärmeausgleich von außen nach innen stattfindet, so
daß die Erwärmung über die Rohrwandung des
Einlaufrohrs 53 allein nicht genügt. Damit der
Wärmeaustausch zwischen der Alt-Gülle und der
Frischgülle über die Rohrwandung des Rohrs 53
effektiv ist, muß daher unbedingt eine Durchmischung
der Alt-Gülle im Ablaufrohr 59 stattfinden. Hierzu
sind ein oder auch mehrere Betonmischkörper 62 für
die Durchmischung der Gülle in dem Ringraum des
Ablaufrohrs 59 vorgesehen. Die Frischgülle gelangt
also bereits vorgewärmt über das Zuleitungsrohr 53
in die Säuregärkammer 50, wobei für diese
Vorwärmung die bei den Fermentationsprozessen
entstehende Wärme ausgenutzt werden kann. Auch
der Betonmischkörper 62 ist über ein Seil an der
Walze 63 aufgehängt und wird im Behälter auf- und
abbewegt. Vorzugsweise ist im Gärbehälter 21 im
Boden im Bereich der Verbindungsöffnungen 69
in der Trennwand zwischen den beiden Gärkammern
noch ein Sandabscheider 66 angeordnet, der die
abgeschiedenen Schlamm- und Sandanteile aus der
Gülle auffängt. Die Strömungsverhältnisse bei dem
Behälter entsprechend der Ausführungsform gemäß
den Fig. 7 und 8 sind ähnlich wie bei der Anlage
gemäß Fig. 1 und 6. In der Darstellung gemäß Fig. 7
und 8 ist jedoch nur die Mischkörperplatte 60 in
der Hauptgärung mit der umlaufenden Aufkantung
versehen, wohingegen die Mischkörperplatte 61 in
der Säuregärkammer 50 keine Aufkantung aufweist.
Die Gülle bewegt sich somit bei Bewegung der
Mischkörper entsprechend den Pfeilen in der
Darstellung gemäß Fig. 8. In der Säuregärung erfolgt
die Strömung bei dem Mischkörper 61 ohne Aufkantung
jeweils von der Mitte der Platte zum Plattenrand
hin. Die dargestellten Strömungsverhältnisse haben
sich für eine aerobe Säuregärung als besonders
günstig erwiesen. Gemäß der Erfindung besteht also
auch die Möglichkeit, je nach Verwendung von
Mischkörpern mit oder ohne Aufkantung 12 die
Strömungsverhältnisse im Behälter unter und über den
Mischkörperplatten zu variieren und somit die
Durchmischung zu optimieren.
Die Darstellung gemäß Fig. 9 zeigt einen Schnitt
durch den Mischkörper 61; der für die Säuregärkammer
50 gemäß Fig. 7 vorgesehen ist. Die Einleitung bzw.
Ableitung der Luft erfolgt über die an den
Mischkörper angeschlossenen Schleppschläuche 68.
Die Schläuche 68 stehen in Verbindung mit Rohren 67,
durch die Luft geleitet wird, die im Mischkörper
verlegt sind. Damit die Belüftung der Gülle an der
Oberseite bzw. Unterseite des Mischkörpers erfolgen
kann, zweigen von den Rohren 67 Verbindungsstücke 71
mit Öffnung zur Ober- bzw. Unterseite der
Mischkörperplatte ab. Wenn man verhindern will, daß,
wenn keine Lufteinleitung erfolgt, Gülle in das
System von Rohren 67 einfließen kann, kann man die
Mischkörperplatte 61 mit einer Siebfolie bespannen.
Diese Siebfolie hat sehr feine Öffnungen von zum
Beispiel 10-15 µm, so daß durch diese keine Gülle
eindringen kann.
Claims (46)
1. Verfahren zur Herstellung von Biogas durch Vergärung
von vorzugsweise dickflüssigen Medien, bei dem die
Vergärung in einem Gärbehälter und die Durchmischung
des Gärmediums durch kontinuierliche Bewegung von
Mischkörpern in axialer Richtung erfolgt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Durchmischung des Gärmediums
durch entlang der gesamten Behälterachse bewegbare
etwa plattenförmige Mischkörper (11, 60, 61) erfolgt,
die jeweils nur eine nahezu den gesamten
Behälterquerschnitt umfassende, an die Mischkörper
angrenzende Schicht durchmischen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vergärung in mindestens zwei aufeinander
folgenden Stufen erfolgt, einer Säuregärungsstufe,
bei der mit Hilfe von Säurebakterien Sauerstoff
verbraucht wird, und einer anschließenden
Methangärungsstufe, bei der das Biogas erzeugt
wird, wobei in beiden Gärungsstufen die Durchmischung
des Gärmediums durch entlang der gesamten
Behälterachse bewegbare etwa plattenförmige
Mischkörper (11, 60, 61) erfolgt, die jeweils nur
eine nahezu den gesamten Behälterquerschnitt
umfassende, an die Mischkörper angrenzende Schicht
durchmischen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die ausschließliche oder eine
zusätzliche Aufwärmung des Gärmediums durch die
Mischkörper erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gärmedium vor dem Eintritt
in den Gärbehälter mittels eines Wärmetauschers
vorgewärmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Kühlung des Gärmediums durch
Wärmeabfuhr über die Mischkörper erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß über die Mischkörper Sauerstoff
in das Gärmedium eingebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Gärmediums in den
Gärbehälter durch eine pneumatische Fördereinrichtung
erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß durch die Änderung der
Geschwindigkeit der Axialbewegung der Mischkörper
(11, 5) die Dicke der an die Mischkörper angrenzenden
durchmischten Schicht variiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gärmedium beim Verlassen
des Bereichs, in dem die Säuregärung stattfindet,
rasch über den gesamten Querschnitt der entsprechenden
Schicht des Bereichs, in dem die Methangärung
stattfindet, verteilt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß nur eine begrenzte Schicht des
Gärmediums durchmischt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der pH-Wert des Gärmediums beim
Verlassen der Säuregärungsstufe gemessen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gärmedium Gülle, Klärschlamm
oder Molke ist.
13. Anlage zur Herstellung von Biogas durch Vergärung von
vorzugsweise dickflüssigen Medien mit einem
vorzugsweise zylindrischen Behälter, in dem das
Gärmedium vergoren wird, wobei die Durchmischung
durch Mischkörper erfolgt, die im Behälter
kontinuierlich in axialer Richtung bewegt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmischung des
Gärmediums durch entlang der gesamten Behälterachse
bewegbare etwa plattenförmige Mischkörper erfolgt,
die jeweils nur eine nahezu den gesamten
Behälterquerschnitt umfassende an die Mischkörper
angrenzende Schicht durchmischen.
14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die plattenförmigen Mischkörper (11) in einem
stehenden Behälter aufgehängt und in vertikaler
Richtung anhebbar bzw. absenkbar sind.
15. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Mischkörper
bei ihrer Axialbewegung den überwiegenden Teil des
Behälterquerschnitts erfassen, wobei aber zwischen
Mischkörpern und Behälterwandung ein ausreichender
Freiraum verbleibt, durch den das Gärmedium
hindurchströmen kann.
16. Anlage gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischkörper an Seilen aufgehängt sind und
das Anheben und Absenken der Mischkörper durch
Aufwickeln bzw. Abwickeln der Seile auf eine um
ihre horizontale Achse drehbare Walze (8) erfolgt.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60, 61)
zur Behältermittelachse hin etwas geneigt sind.
18. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60) eine
umlaufende Aufkantung (12) am Plattenrand aufweisen,
mit Ausnahme eines inneren kreisbogenförmigen
Bereichs (19) ohne Aufkantung.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei etwa gleiche Mischkörper
(11, 60, 61) im Behälter vorgesehen sind, die mit
Seilen an der Walze (8) so aufgehängt sind, daß bei
Drehung der Walze sich die Mischkörper jeweils
gegenläufig in vertikaler Richtung bewegen.
20. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60, 61)
jeweils an drei Punkten im Behälter aufgehängt sind.
21. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60, 61)
aufheizbar bzw. kühlbar sind.
22. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper wenigstens eine
Temperaturmeßeinrichtung aufweisen.
23. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Aufheizung bzw. Kühlung
der Mischkörper (11, 60, 61) in diesen Wasserrohre
(35) verlegt sind.
24. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der
Mischkörper (61) Sauerstoffleitungen (67) verlegt
sind, die mit Öffnungen in dem Mischkörper in
Verbindung stehen, so daß das Gärmedium über den
Mischkörper belüftet werden kann.
25. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Sauerstoffversorgung des
Mischkörpers (61) Schleppschläuche (68) vorgesehen
sind.
26. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Wasserversorgung der
Mischkörper (11, 60, 61) Schleppschläuche vorgesehen
sind.
27. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60, 61)
einen halbkreisringförmigen oder halbkreisförmigen
Umriß aufweisen.
28. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60, 61) bis auf
die umlaufende Aufkantung im wesentlichen eben sind.
29. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60, 61)
eine geschlossene Oberfläche aufweisen.
30. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (11, 60, 61)
aus Beton sind.
31. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 30, dadurch
gekennzeichnet, daß der Behälter (21) eine
Säuregärungskammer (4) mit einem Gasentlüftungsrohr
(6) zur Ableitung nicht brauchbarer Gase aufweist,
die durch eine Öffnung (9) in Nähe des Behälterbodens
mit einem Hauptgärraum (10) verbunden ist, der in
seinem oberen Bereich die Abführleitung (16) für
das Biogas aufweist.
32. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 31, dadurch
gekennzeichnet, daß die Säuregärungskammer (4)
ringförmig ist und innen in Nähe der Behälterachse
angeordnet ist, wobei der Hauptgärraum (10) diese
konzentrisch umgibt.
33. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 32, dadurch
gekennzeichnet, daß der Behälter durch eine
vertikale Trennwand in zwei Kammern aufgeteilt ist,
von denen die eine als Säuregärungskammer (50)
und die andere als Hauptgärkammer (51) dient, wobei
die Säuregärungskammer (50) nach oben hin durch
eine Verschlußdecke (52) abgeschlossen ist.
34. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 33, dadurch
gekennzeichnet, daß Säuregärungskammer (50) und
Hauptgärkammer (51) in etwa gleiche Volumina
aufweisen.
35. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 34, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (2) für das
Gärmedium im Behälterboden in eine innere
Aufwärmzone (1) mündet, deren zylindrische Wandung
von einem doppelwandigen Wärmetauscher (3) gebildet
ist.
36. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 35, dadurch
gekennzeichnet, daß das Zufuhrrohr (53) für die
Zufuhr des Gärmediums zur Säuregärungskammer (50)
konzentrisch von dem Auslaufrohr (59) für den
Auslauf des verbrauchten Gärmediums aus der
Hauptgärkammer umgeben ist.
37. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 36, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Gärmediums über
eine pneumatische Fördereinrichtung erfolgt.
38. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 37, dadurch
gekennzeichnet, daß die pneumatische Fördereinrichtung
(22) das Gärmedium mit Hilfe von mittels eines
Kompressors erzeugter Druckluft schubweise in den
Behälter pumpt.
39. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 38, dadurch
gekennzeichnet, daß die Biogasleitung (40) durch
den Behälter (21) hindurchgeführt ist.
40. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 39, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Durchmischung des
Gärmediums in dem Ringraum des Auslaufrohrs (59)
ein weiterer Mischkörper (62) vorgesehen ist, der
ebenfalls in axialer Richtung bewegt wird.
41. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 40, dadurch
gekennzeichnet, daß für das Zufuhrrohr (53) ein
weiterer etwa zylinderförmiger Mischkörper (57) mit
kegeliger Spitze vorgesehen ist.
42. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 41, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (62, 57)
ebenfalls an Seilen aufgehängt sind und mit Hilfe
der Walze (63) in vertikaler Richtung bewegt werden.
43. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 42, dadurch
gekennzeichnet, daß der Mischkörper für die
Durchmischung des Gärmediums in der
Säuregärungskammer (4) ein Schwimmkörper (5) ist,
an dem Seile (27, 28) befestigt sind, die über
untere Umlenkrollen (7) umgelenkt und auf der Walze
(8) aufgewickelt werden, so daß beim Abwickeln der
Seile der Schwimmkörper aufschwimmen kann.
44. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 43, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mischkörper (62, 57)
ebenfalls aus Beton sind.
45. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 44, dadurch
gekennzeichnet, daß im Boden des Gärbehälters (21)
ein Sandabscheider (66) eingebaut ist.
46. Verwendung einer Anlage gemäß einem der Ansprüche
13 bis 45 zur Ausführung des Verfahrens gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 12.
Priority Applications (2)
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DE19873737870 DE3737870A1 (de) | 1987-03-02 | 1987-11-07 | Verfahren und anlage zur herstellung von biogas aus dickfluessigen vergaerbaren medien |
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