DE4124880A1 - Verfahren zur fermentativen hydrolyse organischer abfaelle durch mikroorganismen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fermentativen Hydrolyse organischer Abfälle durch Mikroorganismen.

Ein Verfahren zur fermentativen Hydrolyse organischer Abfälle durch aerobe Mikroorganismen ist aus der DE-PS 36 37 393 be­ kannt. Bei dem vorbekannten Verfahren werden organische Abfall­ stoffe unter Zwangsbelüftung kompostiert.

Kommunale Siedlungsabfälle haben ein breites Spektrum biologisch abbaubarer organischer Stoffanteile. Die einzelnen Bestandteile der Abfälle werden allerdings von sehr unterschiedlichen Mikro­ organismen mit entsprechend unterschiedlichen Lebensbedingungen bevorzugt abgebaut. Hierbei sind aufgrund ihrer physiologischen Grundfunktion Aerobier (aerobe Mikroorganismen) und Anaerobier (anaerobe Mikroorganismen) zu unterscheiden. Zur Steuerung des jeweils günstigsten Klimas, also der jeweils günstigsten Lebens­ bedingungen für die Mikroorganismen wurden speziell aerob und anaerob wirkende Fermenter (Fermentationsbehälter) als technisch beeinflußbare Lebensräume für festes und flüssiges Substrat ge­ schaffen. Die technische Entwicklung in der Behandlung organi­ scher Abfälle zeigt, daß Fermenter für flüssige Substrate bevor­ zugte Lebensräume für anaerobe Mikroorganismen sind (beispiels­ weise Faulanlagen), während Fermenter für feste Substrate vor­ zugsweise Lebensräume für aerobe Mikroorganismen darstellen (bei­ spielsweise Kompostreaktoren).

Bei einem Fermenter für die anaerobe Fermentation wird das stoff­ wechselgerecht vorbereitete Substrat, also die abzubauenden orga­ nischen Abfallsubstanzen, in einer Flüssigkeit kontinuierlich zugeführt. Die Stoffwechselprodukte werden flüssig und gasförmig abgeführt. Die Flüssigphase setzt voraus, daß der Fermenter als kontinuierlich betriebener Bioreaktor arbeitet. Dies stellt an die technische Gestaltung des Fermenters hohe Anforderungen, da ein anaerober Prozeß unter strengem Luftsauerstoffabschluß voll­ zogen werden muß. Darüber hinaus sind anaerobe Mikroorganismen überwiegend zu ganz speziellen Stoffwechselleistungen befähigt, beispielsweise zum Abbau niedermolekularer organischer Verbin­ dungen im Wasser; eine universellere Abbauleistung ist nur von aeroben Mikroorganismen zu erwarten, beispielsweise der Abbau nieder- und hochmolekularer organischer Verbindungen im Einfluß­ bereich der Luft an der Erdoberfläche.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur fermentativen Hydrolyse organischer Abfälle durch Mikroorganismen zu verbes­ sern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die or­ ganischen Abfälle durch aerobe Mikroorganismen unter Zufuhr ei­ nes sauerstoffhaltigen Gases, vorzugsweise Luft oder reinem Sau­ erstoff, aerob fermentiert werden, daß nach Abbau zumindest ei­ nes Teils der leicht abbaubaren Bestandteile der organischen Ab­ fälle die Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases beendet wird und daß die organischen Abfälle anschließend unter Sauerstoffab­ schluß durch anaerobe Mikroorganismen anaerob fermentiert wer­ den.

In einer ersten Phase wird eine aerobe Fermentation durchge­ führt. Danach wird unter Sauerstoffausschluß eine anaerobe Fer­ mentation durchgeführt. Jede dieser beiden Phasen kann optimal eingestellt werden. Durch die Kombination dieser beiden Phasen ist es möglich, ein verbessertes Endprodukt zu erhalten. Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur biologischen Abfallbehand­ lung geschaffen, bei dem durch eine entsprechende Verfahrens­ führung einmal für aerobe und zum anderen für anaerobe Mikroor­ ganismen jeweils die für einen optimalen Stoffwechsel günstig­ sten Lebensbedingungen technisch geschaffen werden können. Durch die vorliegende Erfindung ist erstmals die Möglichkeit gegeben, in einem Fermentationssystem sowohl auf anaerobem wie auch auf aerobem Weg organische Abfallstoffe abzubauen.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß beim Abbau nieder­ molekularer organischer Substanzen neben der reinen Massenre­ duktion auch von Fall zu Fall ein Stoffwechselprodukt von wirt­ schaftlicher Bedeutung anfallen kann. Beispielsweise entsteht bei der Faulung Methan, das zur Erzeugung von Hochtemperatur­ energie verwendet werden kann. Bei der Kompostierung (aerobe Fermentation) entsteht Kohlendioxyd, das beispielsweise zur Gewächshausbegasung genutzt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Während der anaeroben Fermentation kann eine sauerstoffreie Spülflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zugeführt werden. Für diese Flüssigkeitsspülung wird vorzugsweise ein wiederaufbe­ reitetes flüssiges Medium verwendet.

Vor der aeroben Fermentation kann eine anaerobe Fermentation durchgeführt werden. Es ist also möglich, daß die erste Ver­ fahrensstufe als anaerobe Phase durchgeführt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Ver­ fahren mehrmals nacheinander, also mindestens zweimal, nachein­ ander durchgeführt. Die aerob-anaeorb-Phasen können sich aber auch - je nach Bedarf - beliebig oft wiederholen.

Die bei der aeroben Fermentation entstandenen Stoffwechselpro­ dukte können zu Beginn der anaeroben Fermentation durch ein Spülmedium, vorzugsweise ein flüssiges Spülmedium, vorzugsweise Wasser, entfernt werden. Bei diesem Spülmedium kann es sich um die oben bereits erwähnte sauerstoffreie Spülflüssigkeit han­ deln, die dann auch während der anaeroben Fermentation zugeführt wird.

Nach der anaeroben Fermentation kann erneut eine aerobe Fermen­ tation durchgeführt werden. Nach einer vorteilhaften Weiterbil­ dung werden die anaeroben Mikroorganismen zu Beginn der erneuten aeroben Fermentation durch ein Spülmedium, vorzugsweise ein flüssiges Spülmedium, vorzugsweise Wasser, entfernt. Bei der er­ neuten Luftzufuhr zu Beginn der erneuten aeroben Fermentation sterben die noch vorhandenen anaeroben Mikroorganismen ab. Sie werden durch das Spülmedium ausgespült. Mit einem flüssigen Spülmedium werden sie als Schlamm ausgespült und entfernt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Fermentationsbe­ hälter durchgeführt werden. Das Verfahren wird dann in einem einzigen Fermentationsbehälter durchgeführt, in dem nacheinander bzw. abwechselnd aerobe und anaerobe Phasen stattfinden. Es ist also möglich, beide - aerobe und anaerobe - Fermentationsvorgän­ ge in ein und demselben Reaktor nacheinander ablaufen zu lassen.

Es ist ferner möglich, die aerobe Fermentation in einem ersten Fermentationsbehälter und die anaerobe Fermentation in einem zweiten Fermentationsbehälter durchzuführen. Sowohl der erste als auch der zweite Fermentationsbehälter können von derselben Bauart sein. Es ist möglich, die aus der DE-PS 36 37 393, auf die hiermit Bezug genommen wird, bekannte Vorrichtung zu verwen­ den. Es ist möglich, in einem oder mehreren miteinander verbun­ denen Fermentationsbehältern die aerobe Fermentation durchzufüh­ ren, während in einem oder mehreren weiteren, vorzugsweise dane­ ben liegenden Fermentationsbehältern die anaerobe Fermentation durchgeführt wird. Die aeroben und anaeroben Mikroorganismen können jeweils ihre spezifischen Stoffwechselfunktionen entfal­ ten. Das abzubauende Abfallsubstrat wird zunächst in den Fermen­ tationsbehälter für die aerobe Fermentation eingebracht, diesem dann nach beendeter Hauptstoffwechselphase entnommen und in den Fermentationsbehälter für die anaerobe Fermentation eingebracht.

Die aerobe Fermentation wird durch eine Spülung des Fermenta­ tionsbehälters (Festbett-Reaktors bzw. Festbett-Fermenters) mit Luft bzw. einem sonstigen sauerstoffhaltigen Gas gewährleistet. Die anaerobe Fermentation, die ebenfalls im Festbettreaktor durchgeführt werden kann, setzt eine Spülung mit einer Flüssig­ keit, vorzugsweise Wasser, voraus. Da bei der aeroben Fermenta­ tion Wärmeenergie direkt freigesetzt wird, kann diese zur Was­ serverdunstung, also zur Trocknung der noch vorhandenen Masse (Restmasse), genutzt werden. Das bei der anaeroben Fermentation freigesetzte Methan kann zur Wärmeerzeugung genutzt werden, vor­ zugsweise zur Trocknung der Restmasse. Es kann als speicherbarer Energieträger nach Verbrennung zur Restmassetrocknung verwendet werden.

Es ist möglich, die Festbett-Fermenter der aeroben Stufe mit flüssigen Spülmedien zu betreiben und dabei Sauerstoff zuzufüh­ ren. Im Anschluß hieran kann die durch Mikroorganismen von Sau­ erstoff befreite Flüssigkeit in der anaeroben Phase (also bei der anaeroben Fermentation) genutzt werden.

Vorzugsweise wird die einzige oder gegebenenfalls letzte aerobe Fermentation mit erwärmter Luft durchgeführt. Nach einer wei­ teren vorteilhaften Weiterbildung wird die einzige oder ge­ gebenenfalls letzte aerobe Fermentation im Vakuum durchgeführt.

Vorzugsweise werden die sich in dem sauerstoffhaltigen Gas und/oder in der Spülflüssigkeit ansammelnden Stoffwechselpro­ dukte neutralisiert. Dies geschieht vor dem Wiedereintritt dieser Stoffwechselprodukte in die Atmosphäre bzw. in die Umge­ bung.

Es ist ferner möglich, während der aeroben Fermentation ein flüssiges Spülmedium zuzuführen. Es ist ferner möglich, sowohl während der aeroben Fermentation als auch während der anaeroben Fermentation ein flüssiges Spülmedium zuzuführen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend beschrieben.

Das zu fermentierende Abfallgemisch wird in den Fermentationsbe­ hälter für die anaerobe Fermentation (dies kann der einzige Fer­ mentationsbehälter sein) eingelagert. Danach wird in Abhängig­ keit von der biologischen Wachstumskurve, die in der DE-PS 36 37 393 erläutert ist, die für einen optimalen Abbau erforderliche Sauerstoffmenge zugeführt. Das Verfahren kann in dem aus der DE-PS 36 37 393 bekannten Fermentationsbehälter durchgeführt wer­ den. Die biologisch schnell zu erschließende leicht abbaubare organische Substanz des Abfallsubstrates wird in Wasser, Kohlen­ dioxyd, Wärme und Mineralstoff-Restoxydationsprodukte umgewan­ delt. Soweit die Stoffwechselprodukte gasförmig sind, werden diese mit einem Spülgas, beispielsweise Luft, aus dem Fermenta­ tionsraum entfernt. Anschließend werden die Stoffwechselprodukte aus dem Spülgas entfernt, so daß es nicht zu unangenehmer Ge­ ruchsausbreitung kommt.

Wenn der leicht abbaubare Substratsanteil abgebaut ist, stellen die aeroben Mikroorganismen, die sich auf dem Grundsubstrat ent­ sprechend vermehrt haben, noch eine beträchtliche Biomasse mit entsprechender Zellflüssigkeit dar, die nun im zweiten Verfah­ rensschritt von anaeroben Mikroorganismen abgebaut wird. Dabei wird die Sauerstoffzufuhr unterbunden. Da keine Luft von außen in den Fermenter mehr eindringt, wird zunächst der Restsauer­ stoff noch vor dem Absterben der aeroben Mikroorganismen ver­ braucht. Danach können die anaeroben Mikroorganismen die noch vorhandene leicht abbaubare Zellflüssigkeits- und Restbiomasse in Methan, Kohlendioxyd und Wasser umwandeln. Zur Aufrechterhal­ tung eines für anaerobe Mikroorganismen optimalen Lebensraumes werden die Stoffwechselprodukte durch eine Flüssigkeit, bei­ spielsweise Wasser, entfernt, wobei diese Spülflüssigkeit - wie auch bei der anaeroben Fermentation - vor dem Wiedereintritt in die Umgebung, beispielsweise in Flüsse oder Bäche, zur Vermei­ dung von Umweltschäden neutralisiert wird.

Die übrig bleibende, biologisch schwer abbaubare Abfallrestmasse wird nach der anaeroben Phase während des Abzugs der Spülflüssig­ keit wieder mit Sauerstoff, vorzugsweise atmosphärischer Luft, beaufschlagt. Die restlichen noch in dem Fermentationsgemisch verbleibenden anaeroben Mikroorganismen sterben unter diesem Sauerstoffeinfluß rasch ab; sie werden mit der Spülflüssigkeit ausgespült. Die ausgespülten Organismenreste werden als Schlamm aus dem Spülwasser entfernt.

Die feuchte, hydrolisierte Abfallrestmasse wird vorzugsweise im Vakuum getrocknet, so daß sich Mikroorganismen nicht mehr ent­ wickeln können. Auf diesem Weg entsteht eine biologisch nicht mehr reagierende organische Restsubstanz.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur fermentativen Hydrolyse organischer Abfälle durch aerobe und anaerobe Mikroorganismen wird in einem Festbett-Fermenter zur aeroben Fermentation ein sauerstoffhaltiges Spülgas verwendet. Danach wird - durch Ab­ stellen des sauerstoffhaltigen Spülgases - von den aeroben Mikroorganismen eine sauerstoffreie Atmosphäre für anaerobe Mikroorganismen hergestellt. Zur anaeroben Fermentation wird eine sauerstoffreie Spülflüssigkeit zugeführt. Die Fermenta­ tionsvorgänge laufen in zeitlicher Folge nacheinander ab, wobei jeweils die sich in den Spülmedien ansammelnden Stoffwechselpro­ dukte vor Wiedereintritt in die Atmosphäre bzw. Umgebung neu­ tralisiert werden.

Sowohl die aerobe Phase wie auch die anaerobe Phase können mit einem flüssigen Spülmedium betrieben werden.

Die Festmassen-Beschickung und -Entleerung der Fermentations­ behälter kann durch mobile Transportgeräte erfolgen. Sie kann aber auch durch stetig fördernde Aggregate erfolgen. Die Wände des Fermentationsbehälters können aus Beton hergestellt werden, aber auch aus Metall oder aus Kunststoff oder aus natürlichen Stoffen. Das Spülmedium der aeroben Phase kann mit Sauerstoff angereichert werden. Es kann nach Durchlaufen der aeroben Phase als Spülmedium in der anaeroben Phase genutzt werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur fermentativen Hydrolyse organischer Abfälle durch Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet,
daß die organischen Abfälle durch aerobe Mikroorganismen un­ ter Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases, vorzugsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aerob fermentiert werden,
daß nach Abbau zumindest eines Teils der leicht abbaubaren Bestandteile der organischen Abfälle die Zufuhr des sauer­ stoffhaltigen Gases beendet wird
und daß die organischen Abfälle anschließend unter Sauer­ stoffabschluß durch anaerobe Mikroorganismen anaerob fer­ mentiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend der anaeroben Fermentation eine sauerstoffreie Spül­ flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der aeroben Fermentation eine anaerobe Fermentation durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mehrmals nacheinander durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der aeroben Fermentation ent­ standenen Stoffwechselprodukte zu Beginn der anaeroben Fer­ mentation durch ein Spülmedium, vorzugsweise ein flüssiges Spülmedium, vorzugsweise Wasser, entfernt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der anaeroben Fermentation erneut eine aerobe Fermentation durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die anaeroben Mikroorganismen zu Beginn der erneuten aeroben Fermentation durch ein Spülmedium, vorzugsweise ein flüssi­ ges Spülmedium, vorzugsweise Wasser, entfernt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Fermentationsbehälter durch­ geführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aerobe Fermentation in einem ersten Fermentationsbehälter und die anaerobe Fermentation in einem zweiten Fermentationsbehälter durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der aeroben Fermentation entste­ hende Wärme genutzt wird, vorzugsweise zur Trocknung der Restmasse.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der anaeroben Fermentation ent­ stehende Methan zur Wärmeerzeugung genutzt wird, vorzugswei­ se zur Trocknung der Restmasse.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige oder gegebenenfalls letzte aerobe Fermentation mit erwärmter Luft durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzige oder gegebenenfalls letzte aerobe Fermentation im Vakuum durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in dem sauerstoffhaltigen Gas und/oder in der Spülflüssigkeit ansammelnden Stoffwechsel­ produkte neutralisiert werden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der aeroben Fermentation ein flüssiges Spülmedium zugeführt wird.