DE3901404A1

DE3901404A1 - Verfahren zur anaerobfermentation organischer abprodukte

Info

Publication number: DE3901404A1
Application number: DE3901404A
Authority: DE
Inventors: Willi Prof Dr Sc Techn Neumann; Helmut Dr Rer Nat Rueckauf
Original assignee: TECH HOCHSCHULE C SCHORLEMMER
Current assignee: SKET Schwermaschinenbau Magdeburg GmbH
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1989-08-03
Anticipated expiration: 2009-01-20
Also published as: DE3901404C2; DD282671A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben mikro biologischen Abproduktverwertung, das geeignet ist, ammoniak haltige wäßrige Dispersionen und Lösungen mit biologisch ab baubaren organischen Substanzen, so Abprodukte der Landwirt schaft, wie Güllen, so Abprodukte der Lebensmittelindustrie, wie Schlachtabfälle, und Abprodukte der chemischen Industrie unverdünnt zu sogenanntem Biogas und hochwertigen natürlichen Düngemittel umzuwandeln.

Es ist allgemein bekannt, daß organische Stoffe, bevorzugt Abprodukte aus verschiedenen Produktionszweigen, mikrobiolo gisch unter anaeroben Bedingungen in ein hochwertiges brenn bares Gas, sogenanntes Biogas, umgewandelt werden können. Da bei erfolgt der Abbau der organischen Bestandteile, vorwiegend Kohlehydrate, Eiweiße und Fette, zweistufig. Sogenannte säure bildende Bakterien spalten die Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette in niedermolekulare Fettsäuren, die danach in einer zweiten Stufe durch methanbildende Bakterien weiter in Methan und Kohlendioxid umgewandelt werden.

Es ist weiter allgemein bekannt, daß ein steigender Ammoniak- bzw. Ammoniumgehalt die methanbildenden Mikroorganismen erst hemmt und bei hoher Ammoniak- bzw. Ammoniumkonzentration irre versibel schädigt. Die Ammoniak- bzw. Ammoniumkonzentration wird von den methanbildenden Mikroorganismen in Abhängigkeit von den Milieubedingungen, wie Pufferwirksamkeit des Sub strats, pH-Wert usw., unterschiedlich toleriert. Kaltwasser (B. J. Kaltwasser: Biogas regenerative Energieerzeugung durch anaerobe Formentation organischer Abfälle in Biogasanlagen, Bauverlag Berlin 1980) gibt eine Abhängigkeit der sogenanten Ammoniaktoxizität für ammonium- bzw. ammoniakhaltige Sub strate an, aus der hervorgeht, daß bei steigenden pH-Werten z. B. von 7,5 auf 8,0 eine starke Erhöhung der Ammoniumtoxi zität beobachtet wird.

Des weiteren ist bekannt, daß Abprodukte mit hohen Ammonium- bzw. Ammoniakkonzentrationen sich nur dann anaerob fermen tieren lassen, wenn diese Hemmstoffkonzentration durch Ver dünnen mit Wasser oder Abwasser abgesenkt wird (N. Scheurer: Untersuchungen aus anaeroben Abbau von Hühnerflüssigmist; Dissertation Universität Hohenheim 1986).

Durch diese Verdünnung steigt jedoch die für die mesophile oder termophile Fermentation aufzuheizende Flüssigkeitsmenge des Substrates und die anschließend zu verwertende Faulgut menge stark an, was sich u. a. nachteilig auf den Heizenergie betrag, die Reaktorgröße und die Transportkosten auswirkt. Es ist bekannt, daß Ammoniak aus verdünnten Lösungen besei tigt werden kann. Dabei sind prinzipiell 3 Methoden gebräuch lich:

- die destillative Entfernung aus alkalisch reagierenden Ammoniak enthaltenden Flüssigkeiten DE PS 35 20 934,
- die Alkalisierung mittels Basen, wie Alkali- oder Erdalka libasen und Gasstrippung des Ammoniaks aus ammoniakhalti gen Flüssigkeiten DE OS 27 22 419,
- die Kopplung von Alkalisierung und Dampfstrippung zur Ammoniakentfernung DE OS 29 11 745, DE OS 27 22 559.

Im DE Patent 29 52 794 wird die Möglichkeit der Kopplung von Alkalisierung und Dampfstrippung zur Ammoniakbeseitigung für Gülle beschrieben.

Ammonium- bzw. ammoniakenthaltende organische Abprodukte reagieren in den meisten Fällen durch den o. g. ersten Schritt des Substratabbaues zu Carbonsäuren neutral bzw. schwach sauer. Aus diesen Substraten kann nur nach Alkalisierung durch Strippung in der beschriebenen Weise Ammoniak abgetrennt wer den. Diese Methode verlangt jedoch den Einsatz molarer Mengen Basen, bezogen auf den abzutrennenden Ammoniak.

Ziel der Erfindung ist es, ein neues anaerobes mikrobiolo gisches Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, ammonium- bzw. ammoniakhaltige wäßrige Dispersionen und Lösungen, die biologisch abbaubare organische Substanzen enthalten, so Ab produkte der Landwirtschaft, wie Güllen, so Abprodukte der Lebensmittelindustrie, wie Schlachtabfälle, und Abprodukte der chemischen Industrie unverdünnt zu Biogas und hochwertigen Düngemitteln umzuwandeln und dabei den enthaltenen Ammoniak abzutrennen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur anaero ben mikrobiellen Fermentation ammonium- bzw. ammoniakhaltiger wäßriger Dispersionen und Lösungen, die biologisch abbaubare organische Substanzen enthalten, zu entwickeln, das ermöglicht, das Substrat unverdünnt zu Biogas und hochwertigen Düngemit teln umzuwandeln und den enthaltenen Ammoniak teilweise oder vollständig abzutrennen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß nach dem bekannten Substratabbau zu Carbonsäuren bei Temperaturen von 0-65°C eine Selbstalkalisierung des Faulschlammes durch die anaerobe Fermentation überraschenderweise ausgenutzt werden kann, um aus einem Teil des ausgekreisten Reaktionsmediums, allein oder im Gemisch mit Substrat, durch Dampfen oder Gas strippung Ammoniak zu entfernen. Das sowohl ammonium- bzw. ammoniakverringerte Gemisch als auch der ammonium- bzw. ammoniakverringerte Teil des Faulschlammes kann allein oder im Gemisch mit ammonium- bzw. ammoniakreichem Substrat nach Rück führung in das Reaktionssystem ohne Zusatz von Verdünnungsmit teln fermentiert werden, so daß Biogas und hochwertige Dünge mittel entstehen.

Die Selbstalkalisierung erfolgt dadurch, daß bei der anaeroben Fermentation organische Säuren zu Methan und Kohlendioxid um gewandelt werden, die als Gase das Reaktionssystem verlassen. Dadurch steigt während der Fermentation der pH-Wert an. Bei stark ammonium- bzw. ammoniakhaltigen Substraten erfolgt durch diesen pH-Wert-Anstieg auf über 7 eine Selbstalkalisierung. Obwohl sich durch diesen steigenden pH-Wert die Ammoniaktoxi zität für die Mikroorganismen verstärkt, macht erst die Kombi nation der Ammoniakstrippung bei hohen pH-Werten aus einem Teil des Faulgutes vor bzw. nach der Vermischung mit ammonium- bzw. ammoniakreichen Substrat eine mikrobielle anaerobe Fer mentation des Substrates ohne Verdünnungsmittel möglich. Bei wenig ammonium- bzw. ammoniakhaltigen Substraten tritt die Selbstakalisierung erst nach Abpufferung des Frischsubstrates mit Alkali- bzw. Erdalkalibasen und anschließender Fermenta tion ein. Danach ist die Ammoniakstrippung selbst bei ge ringem Ammonium- bzw. Ammoniakkonzentrationen möglich.

Nachstehend wird die Erfindung an 3 Beispielen erläutert:

Beispiel 1

In einem Biogasreaktor von 20 l Inhalt und einem Reaktions volumen von 19 l wird kontinuierlich Hühnergülle bei einer Tem peratur von 35°C fermentiert. Der Reaktor wird alle 24 Stun den mit 0,6 l Hüllergülle beschickt, so daß sich eine durch schnittliche mittlere Verweilzeit der Reaktionsmasse von 30 Tagen ergibt. Die verwendete Hühnergülle besitzt folgende Eigenschaften:

- Konzentration des Feststoffgehaltes 22,3 Ma.-%,
- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 16,2 Ma.-%,
- Konzentration des freien Ammoniak 11,0 g/l,
- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, be zogen auf Essigsäure 19,7 g/l.

Die Dosierung wird wie folgt durchgeführt:
0,3 l Faulschlamm werden dem Reaktor entnommen und mit 0,6 l frischem Substrat vermischt. Dieses Gemisch wird einer Wasser dampfdestillation unterzogen. Es werden 65,0 ml Kondensat mit einem Ammoniakgehalt von 6,0 g erhalten. Das in seinem Ammo nium- bzw. Ammoniakgehalt verarmte Gemisch wird dem Reaktor zur Fermentation zugegeben, und 0,235 l Faulschlamm werden zur Einhaltung der Konstanz des Reaktionsvolumens abgezogen. Der Reaktor produziert 50,0 l Biogas in 24 Stunden. Der Ammonium- bzw. Ammoniakgehalt im Faulgut schwankt zwischen 4,5-6,5 g/l. Der pH-Wert des Faulschlammes ist durch Selbstalkalisierung infolge der Fermentation gegenüber dem Frischsubstrat trotz Ammoniakabtrennung von 6,5 auf 8,4 gestiegen.

Beispiel 2

In einem Biogasreaktor von 20,0 l Inhalt und einem Reaktions volumen von 18,0 l wird kontinuierlich Hühnergülle bei einer Temperatur von 35°C fermentiert. Der Reaktor wird alle 24 Stunden mit 0,6 l Hühnergülle beschickt, so daß sich eine durchschnittliche mittlere Verweilzeit der Reaktionsmasse von 30 Tagen ergibt. Die verwendete Hühnergülle besitzt folgende Eigenschaften:

Die Dosierung erfolgt, indem 1 l Faulschlamm entnommen wird. Dieser Faulschlamm wird bei 35°C einer Ammoniakstrippung im Vakuum unterzogen. Es werden 75,0 Destillat mit einem Ammoniakgehalt von 6,5 g erhalten. Der ammonium- bzw. ammoniak reduzierte Faulschlamm wird mit 0,3 l Frischluftsubstrat zur Ver besserung dessen Fließeigenschaften vermischt und dem Reaktor zugegeben. Zur Einhaltung der Konstanz des Reaktionsvolumens werden 0,225 l Faulschlamm aus dem Reaktor entnommen. Der Reaktor produziert 27,5 l Biogas in 24 Stunden.

Beispiel 3

In einem Biogasreaktor von 20 l Inhalt und einem Reaktionsvo lumen von 18 l wird kontinuierlich ein Gemisch, bestehend aus 40% homogenisierten Schlachtabfällen und 60% Schweinegülle, fermentiert. Das Substratgemisch besitzt folgende Eigen schaften:

- Konzentration des Feststoffgehaltes 7,1 Ma.-%,
- Konzentration des organischen Feststoffgehaltes 6,06 Ma.-%,
- Konzentration des Ammonium- bzw. Ammoniakstickstoffs 4,5 g/l,
- Konzentration der flüchtigen organischen Fettsäuren, bezo gen auf Essigsäure 8,2 g/l,
- pH-Wert 6,5.

Die Dosierung wird wie folgt durchgeführt:

Dem Reaktor wird eine Substratgemischmenge von 1,8 l zuge führt und damit eine mittlere Verweilzeit von 10 Tagen realisiert. Dieses Substrat wird durch Zugabe von 2 g Soda oder Kalk auf einen pH-Wert von 6,8 angehoben. Diese pH-Wert- Anhebung reicht aus, daß infolge der Fermentation eine Selbst alkalisierung auf einen pH-Wert von 8,0 eintritt. Zur Aufrecht erhaltung der Konstanz des Reaktionsvolumens werden dem Reak tor 1,8 l Faulschlamm entnommen. Dieser Faulschlamm wird im Vakuum bei 40°C einer Ammoniakstrippung unterzogen. Dabei werden 120 ml einer 8 g Ammoniak enthaltenden Lösung ge wonnen.

Der Reaktor produziert 37,2 l Biogas in 24 Stunden.

Claims

1. Verfahren zur anaeroben mikrobiellen Fermentation ammonium- bzw. ammoniakhaltiger wäßriger Dispersionen und Lösungen, die biologisch abbaubare Substanzen ent halten, gekennzeichnet dadurch, daß nach dem an sich be kannten Substratabbau zu Carbonsäuren bei Temperaturen von 0-65°C eine Selbstalkalisierung des Reaktionsmediums und dem damit verbundenen Anstieg des pH-Wertes auf über 7 dazu ausgenutzt wird, den vorerst im Substrat als Ammoniumsalz oder organisch gebunden vorliegenden Stick stoff in flüchtiges Ammoniak überzuführen, mit physi kalischen Trennmethoden abzutrennen, um so mit Stickstoff belastete Substrate unverdünnt fermentieren zu können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil des durch die mikrobiologische Fermentation selbstalkalisierten Faulschlammes ausgekreist, sein Ammoniakgehalt auf 0,1-8,0 g/l reduziert wird, vorzugs weise auf 1,0-4,0 g/l und dann dem Reaktor wieder zuge führt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil des durch die mikrobiologische Fermentation selbstalkalisierten Faulschlammes ausgekreist, mit Frisch substrat in einem solchen Verhältnis gemischt wird, daß dieses Gemisch alkalisch reagiert, daraus Ammoniak abge trennt und das Gemisch danach dem Reaktor wieder zuge setzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß durch die Anhebung des pH-Wertes im Frischsubstrat bis zu dessen neutraler Reaktion durch Zugabe von Alkali- oder Erdalkalibasen eine Selbstalkalisierung durch die mikro bielle Fermentation erst ermöglicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem durch die mikrobielle Fermentation selbstalkali sierten Faulschlammes nach dessen Entfernung aus dem Reak tionssystem zur Umweltentlastung Ammoniak abgetrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß die Ammoniakabtrennung durch Strippung mit einem Inert gas oder Wasserdampf erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Ammoniakabtrennung durch Reduzierung des Druckes bis zur Flüchtigkeit des Ammoniaks erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Anwendung eines thermischen Ammoniakabtrennver fahrens die Aufheizung des ammoniakreichen Teils des Reaktionssystems durch den ammoniakarmen Teil des Reak tionssystems erfolgt.