DE4226087A1 - Verfahren zur biologischen Aufbereitung organischer Substanzen, insbesondere zur anaeroben biologischen Hydrolyse zur anschließenden Biomethanisierung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur biologischen Aufbereitung organischer Substanzen, insbesondere zur anaeroben biologischen Hydrolyse zur anschließenden Biomethanisierung und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Aufberei
tung organischer Substanzen, insbesondere zur anaeroben biolo
gischen Hydrolyse zur anschließenden Biomethanisierung sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Biomethanisierung von komplexen organischen Materialien
erfolgt durch das Zusammenspiel von hauptsächlich drei Mikroor
ganismengruppen:
- 1. Hydrolytische fermentative Bakterien,
- 2. Wasserstoffproduzierende acetogene Bakterien,
- 3. Wasserstoff und Acetat verbrauchende methanogene Bakterien.
Hierbei werden die Produkte der ersten Gruppe von der zweiten und
die Produkte der zweiten von der dritten Mikroorganismengruppe
verwertet. Dadurch entstehen aus komplexen Biopolymeren die
Hauptprodukte Methan und Kohlendioxid.
Fermentative Mikroorganismen verwerten zur Energiegewinnung
bevorzugt einfache organische Substanzen wie z. B. Glucose oder
Cellubiose, denn diese sind gelöst und können somit direkt re
sorbiert werden. Unter anaeroben Bedingungen sind dabei die
Fermentationsprodukte hauptsächlich organische Säuren oder Al
kohole.
Dagegen können komplexe organische Substanzen wie z. B. Cellulose
nicht direkt resorbiert werden. Sie müssen zuerst in resorbier
bare Bruchstücke hydrolysiert werden. Dazu scheiden hydrolytisch
aktive Mikroorganismen spezifische Exoenzyme aus, die die Biopo
lymere zerlegen. Die Spaltprodukte werden im anaeroben Milieu
daraufhin zu organischen Säuren oder Alkoholen fermentiert.
Da die Fermentation gelöster Substanzen für die Mikroorganismen
energetisch erheblich günstiger ist, bilden sie hydrolytische
Exoenzyme erst bei Abwesenheit von gelösten fermentierbaren
Stoffen (Buchholz, K. und H.-J. Arntz (1988): Gewinnung von
Enzymen durch anaerobe Fermentation von Rübenpreßschnitzeln,
Zuckerindustrie 113 (1988), S. 204-208). Das bedeutet, daß bei
einem Substratgemisch aus gelösten und nichtgelösten Substanzen
zuerst die gelösten Stoffe weitgehend fermentiert werden, bevor
die Biopolymere hydrolysiert und fermentiert werden.
Bei einer Anreicherung der Produkte im Medium kommt es zu einer
Hemmung des Fermentationsprozesses. Verstärkt wird diese Pro
dukthemmung durch den pH-Wertabfall, der durch die gebildeten
Säuren verursacht wird. Besonders bei pH-Werten unter 6 ist wegen
der geringen Dissoziation der gebildeten organischen Säuren sehr
rasch in hemmendes Konzentrationsniveau erreicht.
Die Aktivität der hydrolytischen Enzyme ist ebenfalls stark vom
pH-Wert im Medium abhängig. Die meisten hydrolytischen Enzyme
anaerober Mikroorganismen haben ihre größte Aktivität im pH-
Bereich von 6 bis leicht über 7 (Rodriguez, H., O. Volfova und A.
Klyosov: Characterization of the cellulose complex from Cellulo
monas grown on bagasse pitch, App. Microbiol. Biotechnolo. 28
(1988), S. 394-397).
Um einer Anreicherung der gebildeten Säuren und einem pH-Wert
abfall entgegenzuwirken, müssen die Säuren eliminiert werden. Im
Gegensatz zu einer einstufigen Verfahrensführung, bei der sie im
selben Reaktor sofort methanisiert werden, müssen bei mehrstufi
gen Verfahren die in der Hydrolyse- und Versäuerungsstufe gebil
deten Säuren gezielt abgeführt und der Methanisierungsstufe
zugeführt werden. Diesem Nachteil der mehrstufigen Verfahrens
führung steht jedoch deren höhere Leistungsfähigkeit entgegen
(Bailey, J.E. und D.F. Ollis; Biochemical Engineering Fundamen
tals (McGraw-Hill, New York 1977)).
Nach Noike (Noike, T., u. a.: Characteristics of carbohydrate
degradation and the ratelimiting step in anaerobic digestion,
Biotechnology and Bioengineering 27 (1985), S. 1482-1489) ist bei
der Biomethanisierung von organischen Feststoffen die anaerobe
Hydrolyse der Feststoffe der geschwindigkeitsbestimmende Schritt.
Durch Einstellen optimaler Milieubedingungen kann der Stoffumsatz
der hydrolytischen Mikroorganismen gesteigert und somit der
limitierende Abbauschritt beschleunigt werden. Für viele anaerobe
hydrolytische Mikroorganismen liegt der optimale pH-Wert im
sauren Bereich.
Für die Biomethanisierung der Hydrolyseprodukte ist jedoch ein
neutraler pH-Wert günstiger. Im sauren Bereich nimmt der Stoff
umsatz methanogener Populationen stärker ab. Dadurch wird bei pH-
Werten, die für die Hydrolyse optimal sind, die Methanisierung
der Hydrolyseprodukte zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt.
Durch Trennung der beiden Abbauschritte durch eine zweistufige
Prozeßführung werden für beide Abbauschritte optimale Rahmenbe
dingungen geschaffen.
Bei kontinuierlichem Zufluß von komplexen Substraten, wie z. B.
Abfallgemischen zur Versäuerungsstufe, ist wegen der ständigen
Zufuhr an leicht vergärbaren Substanzen (meist gelöst) die Hy
drolyse der Biopolymere gehemmt. Durch eine zweistufige Prozeßführung
mit Versäuerung und anschließender Hydrolyse wird bei
kontinuierlicher Substratzufuhr diese Hemmung unterbunden. Die
gelösten und leicht vergärbaren Substanzen werden in der ersten
Stufe versäuert und der Hydrolysestufe werden nur noch Feststoffe
zugeführt. Durch diesen Selektionsdruck bildet sich in der zwei
ten Stufe eine sehr aktive, hydrolytische Population aus, so daß
der Feststoffabbau gesteigert ist.
Gonzales (Gonzales, G., G. Caminal, C. de Mas und J. Lopez-San
tin: A kinetioc model for pretreated wheat straw saccarification
by cellulase, Journal Chem. Tech. Biotechnol. (1989), S. 275)
zeigen, daß Enzymreaktionen zum Abbau von Cellulose durch Michae
lis-Menten Reaktionen beschrieben werden können. Das bedeutet,
daß hohe Substratkonzentrationen auf die Hydrolyse einen gün
stigen Einfluß haben. Jedoch verändert sich mit zunehmender
Feststoffkonzentration die Rheologie im Reaktor und durch eine
Transportlimitierung nehmen die Reaktionsgeschwindigkeiten ab.
Somit existiert für die Feststoffhydrolyse in Abhängigkeit vom
jeweiligen Substratgemisch eine optimale Feststoffkonzentration.
Bisher jedoch wurden keine derart optimierten Verfahren angege
ben. Bei dem in der US-PS 4,781,836 beschriebenen Verfahren zur
Biomethanisierung organischer Substanzen mit zwei Verarbeitungs
stufen erfolgt die Versäuerung der gelösten Bestandteile und die
Hydrolyse der nichtgelösten Substanzen in ein und demselben
Reaktor in einem für die dort stattfindenden Prozesse nicht opti
malen Milieu. Zudem sind die Wasserkreisläufe der beiden Reakto
ren völlig voneinander getrennt. Diese Trennung erfolgt durch
eine Kombination von Filter zur Fest-/Flüssig-Trennung und Io
nenaustauscher zur Abtrennung und Übergabe der gelösten polaren
Substanzen. Eine derartige Verfahrensführung ist für die Behand
lung feststoffhaltiger Gemische aus komplexen Substanzen unge
eignet, da entsprechende Filter entweder nicht mit dem versäu
erten Gemisch beschickt werden können oder das Filtrat für die
Beschickung eines Ionenaustauschers zu feststoffhaltig ist.
In der EP 8 98 90 162.4-A3 ist ein Verfahren zur Erhöhung der
Methanausbeute bei der Vergärung kommunaler organischer Abfälle
mit zwei getrennten Stufen und zwei dabei involvierten gemischten
Gärungsstufen in einem ersten und einem zweiten Reaktor beschrie
ben, bei welchem jeweils in den beiden Reaktoren eine Säuerung
und Methanisierung der kommunalen organischen Abfälle vorgenommen
wird. Auch bei diesen Verfahren erfolgt die Versäuerung der
gelösten Bestandteile und die Hydrolyse der nichtgelösten Sub
stanzen in ein und demselben Reaktor unter nicht optimalen Bedin
gungen.
Buchholz (1986), Gÿzen und Zwart (Buchholz, K., H.-J. Arntz, A.
Pellegrini und E. Stoppok (1986): Untersuchung zur Bildung von
Biogas aus Rübenpreßschnitzeln Zuckerindustrie 111 (1986), S.
837-844; Gÿzen, H.J., u. a.: High-rate two-phase-process for the
anaerobic degradation of cellulose, employing rumen mi
kroorganisms for an efficient acidogenesis, Biotechnology and
Bioengineering 31 (1988), S. 418-425; Zwart, K.B., u. a.: Anae
robic digestion of a cellulosic fraction of domestic refuse by a
two-phase rumen-derived process, Biotechnology and Bioengineering
32 (1988), S. 729-724) beschreiben in ihren Veröffentlichungen
ein zweistufiges Verfahren zur anaeroben Vergärung von organi
schen Feststoffen. Auch in diesem Verfahren erfolgt die Versäue
rung der gelösten Bestandteile und die Hydrolyse der nichtgelö
sten Substanzen in einem Reaktor.
Diese gemeinsame Versäuerung und Hydrolyse hat den Nachteil, daß
die Bildung der hydrolytischen Exoenzyme solange unterdrückt
wird, bis die gelösten und leicht vergärbaren Substanzen voll
ständig versäuert sind. Bei einer kontinuierlichen Zufuhr von
Substrat stellt sich im Reaktor in Abhängigkeit der Umsatzraten
eine Gleichgewichtskonzentration an unversäuerten und leicht
vergärbaren Substanzen ein. Dies hat zur Folge, daß die Bildung
der Exoenzyme und damit die Feststoffhydrolyse gehemmt ist.
Nur durch eine diskontinuierliche Beschickung des ersten Reaktors
kann bei diesem zweistufigen Verfahren die Konzentration an
leicht vergärbaren Substanzen zeitweise auf so geringe Werte
gedrückt werden, daß eine gute Hydrolyse der schwer abbaubaren
Feststoffe erfolgt.
In der Veröffentlichung von Hack, P.J.F.M. und Brinkmann, J. A
New Process for High Performance Digestion, International Sym
posium on Anaerobic Digestion of Solid Waste, Venedig
14.-17.4.92, wird eine dreistufige Verfahrensführung mit den Schrit
ten Versäuerung - Hydrolyse - Methanisierung vorgeschlagen, wobei
die einzelnen Verfahrensschritte in räumlich voneinander getrenn
ten Reaktoren durchgeführt werden, und wobei die Rückführung des
Ablaufs der Methanisierung zur Steuerung des pH-Werts und der
Feststoffkonzentration eingesetzt wird. In diesem im folgenden
kurz PAQUES genannten Verfahren werden nach einem mechanischen
Vorbehandeln die Feststoffe hydrolysiert und in einem Reaktor 1
(Prethane-Reaktor) angesäuert, wobei die schnell abbaubaren
Feststofffraktionen in Lösung gehen. Der resultierende Slurry
wird getrennt, und die Hauptmenge der Feststofffraktion wieder in
den Prethane-Reaktor zur weiteren Hydrolyse rückgeführt. Nur ein
kleiner Teil der Feststoffe wird in den zweiten Reaktor (RUDAD-
Reaktor) überführt.
In diesem zweiten Reaktor wird insbesondere durch Ciliaten und
anaerobe Pilze die Feststofffraktion hydrolysiert und Cellulose
und andere faserförmige Verbindungen werden angesäuert. Die
Endprodukte dieser Hydrolyseverfahren sind insbesondere flüchtige
Fettsäuren. Die nicht-abbaubaren Feststoffe werden aus dem RUDAD-
Reaktor ausgeführt.
In einer dritten Stufe werden in einem dritten Reaktor der Flüs
siganteil aus dem Reaktor 1 und die Hydrolyseendprodukte aus dem
Reaktor 2 methanisiert.
Der anaerobe Ablauf aus dem dritten Reaktor wird im Prethane- und
im RUDAD-Reaktor zur Verdünnung und zur pH-Wert-Kontrolle ver
wendet.
Dieses PAQUES-Verfahren hat den Nachteil, daß die drei insbeson
dere prozeßrelevanten Parameter, nämlich die pH-Wert-Steuerung,
die Feststoffkonzentration im Reaktor 2 und die Feststoffver
weilzeit im Reaktor 2 nur in Abhängigkeit voneinander einstellbar
sind, so daß eine definierte Einstellung aller drei Parameter zur
Steuerung der Geschwindigkeit der Feststoffhydrolyse wesentlich
erschwert ist. Ein weiterer Nachteil des PAQUES-Verfahrens ist
die Rückführung des größten Teils des Feststoffstroms nach der
Trennung in den Reaktor 1 (Prethane-Reaktor). Diese Verfahrens
führung erfordert unter anderem die Trennung der Stoffströme in
zwei Teilströme und damit einen höheren maschinentechnischen
Aufwand. Weiterhin nachteilig ist der Feststoffabbau durch Cilia
ten und anaerobe Pilze im Reaktor 2. Da diese Mikroorganismen
meistens nicht in den so verarbeiteten Feststoffen vorhanden
sind, ist das Einfahren des Reaktors 2 mit einem speziellen
Impfschlamm erforderlich, wodurch das Verfahren verteuert wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren einfacher und effizienter auszugestalten,
insbesondere ein Steuerungskonzept bereitzustellen, durch welches
der pH-Wert, die Feststoffkonzentration und die Feststoffverweil
zeit unabhängig voneinander einstellbar sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, daß die einem ersten Reaktor
zugeführten gelösten und/oder nichtgelösten organischen Substan
zen in diesem Reaktor zumindest einer Versäuerung unterzogen
werden, der Hauptteil der dem ersten Reaktor entnommenen nicht
gelösten zumindest angesäuerten organischen Substanzen einem
zweiten Reaktor für die Durchführung zumindest einer Feststoff
hydrolyse zugeführt werden und der Hauptteil der gelösten zu
mindest angesäuerten organischen Substanzen aus dem ersten Reak
tor und dem zweiten Reaktor einem dritten Reaktor für die Durch
führung zumindest einer Methanisierung zugeführt werden.
Zur besseren Separation der gelösten von den nichtgelösten or
ganischen Substanzen werden in einem eigenen Verfahrensschritt
die dem ersten Reaktor 1 entnommenen gelösten und nichtgelösten
organischen Substanzen einer Trennung in eine Feststofffraktion
mit den nichtgelösten organischen Substanzen und eine Flüssig
fraktion mit den gelösten organischen Substanzen unterzogen.
Der Vorteil einer getrennten Versäuerungs- und Hydrolysestufe
besteht darin, daß verfahrensbedingt nur weitgehendst versäuertes
Material (d. h. nur ein geringer Anteil an leicht fermentierbaren
Substanzen) der Hydrolysestufe zugeführt wird, und somit auch bei
kontinuierlicher Zufuhr der organischen Substanzen eine ungehemm
te Feststoffhydrolyse gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß wird der Hauptteil des Feststoffstroms aus dem
Reaktor 1 in den Reaktor 2 überführt. Im PAQUES-Verfahren wird
jedoch im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren der Fest
stoffstrom der ersten Trennvorrichtung 4 (FFT4) hauptsächlich in
den Reaktor 1 zurückgeführt. Nur ein Feststoffteilstrom wird dem
Reaktor 2 zugeführt. Das Fördern feststoffhaltiger Stoffströme
ist in der Praxis problematisch, insbesondere dann, wenn ein
Feststoffstrom - wie beim PAQUES-Verfahren - in zwei Teilströme
getrennt werden muß. Um Betriebsstörungen zu vermeiden, muß dann
die Rückführung zum Reaktor 1 getrennt von der Feststoffzufuhr
zum Reaktor 2 erfolgen. Zum Ausgleich des Wasserverlustes und zur
Gewährleistung eines misch- und pumpfähigen Reaktorinhalts muß
Wasser, d. h. Methanreaktorablauf, dem Reaktor 1 zusätzlich zu
geführt werden. Diese Maßnahmen erfordern einen im Vergleich zum
erfindungsgemäßen Verfahren größeren und komplizierteren maschi
nentechnischen Aufwand.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß z. B. für die Feststoffhydro
lyse bei Bioabfall ein pH-Wert von 6,4 optimal ist. Bezüglich der
Stabilität des pH-Wertes in der Feststoffhydrolyse ist jedoch der
pH-Wertebereich von 6,0 bis 6,8 relativ kritisch.
SRT ("solid retention time") gibt hier die Feststoffverweilzeit
an.
Tabelle 2 ist ein ähnliches Verhalten bei der Hydrolyse von
Cellulose in Abhängigkeit vom pH-Wert der Feststoffhydrolyse zu
entnehmen.
In Tabelle 3 ist ein Vergleich der verschiedenen Verfahrensfüh
rungen zur Biomethanisierung organischer Feststoffe aus Bioabfall
bezüglich des Abbaues der organischen Trockenmasse angegeben, der
klar die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf
einen schnelleren und wesentlich vollständigeren Abbau der zu
geführten organischen Trockenmasse belegt.
Siehe hierzu (Rettich, S.: Biogas und Kompost aus Küchen- und
Gartenabfällen Pilotversuch in Rottweil in : Thome-Kozmiensky:
Biogas - Anaerobtechnik in der Abfallwirtschaft (EF-Verlag,
Berlin 1989) und Rodde, Chr. und W. Westphal: Anaerobe Vergärung
als Vorstufe zur Kompostierung, 42. Informationsgespräch 1989,
ANS Info-Band Heft 16, S. 198).
Zur Steuerung dieses kritischen pH-Wertes werden erfindungsgemäß
dem ersten Reaktor gelöste und nichtgelöste organische Substanzen
direkt entnommen und insbesondere zur Senkung des pH-Wertes dem
zweiten Reaktor zugeführt; unabhängig davon kann der pH-Wert im
zweiten Reaktor dadurch beeinflußt werden, insbesondere erhöht
werden, daß dem zweiten Reaktor gelöste und nichtgelöste organi
sche Substanzen entnommen werden und von diesen zumindest ein
Teil der gelösten organischen Substanzen dem dritten Reaktor
zugeführt werden, wobei der restliche Teil dem Reaktor 2 wieder
zurückgeführt wird.
Durch die Absorption eines Teils des bei der Methanisierung
gebildeten Kohlendioxids besitzt der Ablauf des dritten Reaktors
eine entsprechende Pufferkapazität, die durch Rückführung in die
Hydrolysestufe im zweiten Reaktor zur pH-Wertanhebung nutzbar
ist, zur Erhöhung der Pufferkapazität im gesamten System beiträgt
und zur Steuerung des Verhältnisses von gelösten zu nichtgelösten
Substanzen, somit des Feststoffgehaltes im zweiten Reaktor, nutz
bar ist. Hierfür ist vorgesehen, daß vom dritten Reaktor ein
feststoffarmer Stoffstrom dem zweiten Reaktor zugeführt wird.
Eigene Versuche ergaben eine Säurekapazität dieses Stoffstroms
von ca. 180 mval/l. Zum Senken des pH-Wertes von z. B. 6,7 auf
6,3 wurden 24 mval/l benötigt.
Tritt bei einem substratbedingten Absinken der Hydrolyseleistung
ein geringer Anstieg des pH-Wertes auf, führt dies in diesem
Bereich zu einer starken Zunahme der Methanisierungsleistung der
Biozoenose des Hydrolysesektors. Dadurch steigt sprunghaft der
Säureverbrauch und der pH-Wert steigt weiter an. Als Folge davon
erhöht sich die Methanbildung noch stärker und der Säureverbrauch
steigt weiter an.
Aufgrund der verstärkten Methanisierungsleistung und der hohen
Pufferkapazität im Hydrolysereaktor sind folglich zum Absenken
des pH-Wertes große Mengen an Säuren notwendig. Bringt bei einem
zweistufigen System in dieser Situation der aktuelle Zulauf nicht
genügend Säure oder leicht vergärbare Substanz mit, kann der pH-
Wert nicht mehr stabilisiert werden und driftet in den neutralen
Bereich ab. Im neutralen Bereich ist dann der pH-Wert sehr sta
bil, da die Feststoffhydrolyse der geschwindigkeitsbestimmende
Schritt ist und somit sämtliche produzierten Säuren sofort metha
nisiert werden.
Ein Absenken des pH-Wertes in diesem Prozeßzustand ist nur durch
eine Zugabe größerer Mengen Säure möglich. Soll nicht zusätzlich
Säure zum System dosiert werden, muß zur pH-Korrektur eine größe
re Menge weitgehendst versäuerten Substrats zur Verfügung stehen.
Dies ist prinzipiell nur bei dem hier beschriebenen dreistufigen
System der Fall.
Ist jedoch der Input stark versäuert, so daß für ein zweistufiges
System genügend Säure zur pH-Wertsteuerung vorhanden wäre, erfor
dert die ständig hohe Säurezufuhr zum Hydrolysereaktor auch eine
entsprechend hohe Säureabfuhr. Da in diesem Fall die Säurekonzen
tration im Zulauf höher ist als im Hydrolysereaktor, wird bei
direkter Zufuhr des Inputs zum Hydrolysereaktor, wie bei Buch
holz, Gÿzen und Zwart beschrieben (siehe a.a.O.), die Säure des
Inputs zuerst verdünnt. Dies bedeutet, daß im Vergleich zu dem
hier beschriebenen dreistufigen System zur Abfuhr der gleichen
Säuremenge zur Methanisierung mehr Substrat zur Fest-/Flüssig-
Trennung gefördert werden muß. Folglich ist dieses Aggregat
größer zu dimensionieren.
Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den
Wassergehalt in dem System dadurch zu steuern, daß dem dritten
Reaktor überschüssiges Wasser entnommen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die optimale
Einstellung der Bedingungen bei der Feststoffhydrolyse im Reaktor
2, insbesondere die unabhängige Einstellung von pH-Wert, Fest
stoffkonzentration und Feststoffverweilzeit im Reaktor 2. In Fig.
3 in Verbindung mit Fig. 1 ist das Regelschema für die pH-Wert-
Steuerung im einzelnen dargestellt.
Der pH-Wert wird durch Verändern der Förderströme der Stellglie
der (z. B. Pumpen) P11, P12 und P13 gesteuert. Am besten erfolgt
seine Messung direkt im Reaktor 2 (pH R2). Ist dies aus prakti
schen Gründen nicht sinnvoll bietet sich eine pH-Wertmessung in
Leitung 13 (pH L13) an. Dann muß jedoch ein bestimmter Rezirkula
tionsstrom (13) gewährleistet werden. Diese Durchflußgröße legt
die minimale Förderleistung von P13 fest.
Die Feststoffkonzentration im Hydrolysereaktor wird durch ein
entsprechendes Verhältnis von rückgeführtem Methanisierungsablauf
(22), der über die Fördermenge von P22 gesteuert wird, zur produ
zierten Flüssigphase (20), die mit dem Durchflußmengenmesser 20
gemessen wird, gesteuert.
Die Feststoffverweilzeit in der Feststoffhydrolyse (Reaktor 2)
wird bei vorgegebenem Reaktorvolumen über die zugeführte Menge an
versäuertem Gemisch (Summe von 11 und 12) bestimmt.
Zur pH-Wert-Absenkung wird als erste Maßnahme die Rückführung von
Reaktorinhalt zur FFT4 (13) reduziert. Dies wird durch Verringern
der Fördermenge von P13 erreicht. Gleichzeitig wird die Rückfüh
rung von Methanisierungsablauf zum Reaktor 2 (22) entsprechend
dem vorgebenem Verhältnis ebenfalls verringert. Dadurch kann
der Feststoffgehalt im Reaktor 2 konstant gehalten werden und die
pH-Wert-Absenkung wird verstärkt.
Ist die Fördermenge von P13 minimal oder Null und eine weitere
pH-Wert-Absenkung notwendig, wird versäuertes Gemisch (12) direkt
dem Reaktor 2 zugeführt und (11) gesenkt. Dazu wird die Förder
menge von P12 erhöht und die von P11 entsprechend gesenkt. Durch
Anpassung der Fördermenge von P22 an die produzierte Flüssigphase
(F20) entsprechend dem vorgegebenen Verhältnis wird der Fest
stoffgehalt im Reaktor 2 konstant gehalten.
Zur pH-Wert-Anhebung wird zuerst (11) erhöht und (12) entspre
chend gesenkt. Hierzu wird die Fördermenge von P11 erhöht und die
von P12 entsprechend gedrosselt. Damit die Feststoffkonzentration
im Reaktor 2 konstant bleibt, wird gleichzeitig die Zufuhr von
Methanisierungsablauf entsprechend erhöht. Dadurch wird der pH-
Wert-Anstieg zusätzlich begünstigt.
Ist die vollständige Zufuhr des versäuerten Gemisches über (11)
nicht ausreichend, wird (13) und (22) erhöht. Dazu wird die
Fördermenge von P13 erhöht und die Rückführung des Methanisie
rungsablaufs an die produzierte Filtratmenge (F20) angepaßt. Die
Feststoffkonzentration in Reaktor 2 wird dadurch konstant gehal
ten.
Die Feststoffkonzentration in Reaktor 2 wird verändert, indem das
Verhältnis von rückgeführtem Methanisierungsablauf zu produzier
ter Flüssigphase angepaßt wird. Anschließend werden dann die
Fördermengen von P11, P12 und P13 entsprechend eingestellt, so
daß der Soll-pH-Wert in Reaktor 2 gewährleistet ist.
Bei den beschriebenen Eingriffen zur Steuerung von pH-Wert und
Feststoffkonzentration in Reaktor 2 kann die zugeführte Menge an
versäuertem Gemisch (Summe von 11 und 12) konstant gehalten
werden. Dadurch wird die Feststoffverweilzeit in Reaktor 2 nicht
verändert.
Eine derartige Steuerung des pH-Wertes unabhängig von der Fest
stoffkonzentration und der Feststoffverweilzeit in Reaktor 2 wird
durch das PAQUES-Verfahren nicht ermöglicht.
Ein Senken des pH-Werts im RUDAD bei PAQUES ist nur durch eine
der folgenden drei Maßnahmen möglich:
- 1. Erhöhung der Feststoffzufuhr (Belastungssteigerung),
- 2. Reduzierung der Rückführung an Methanisierungsablauf,
- 3. Veränderung der Trennleisung der Fest/Flüssig-Trennung.
Jede der drei Maßnahmen führt jedoch dazu, daß für die Feststoff
hydrolyse ungünstigere Bedingungen entstehen.
Durch eine Erhöhung der Feststoffzufuhr muß zum Konstanthalten
der Feststoffkonzentration auch die Zufuhr an Methanisierungs
ablauf erhöht werden. Dies führt zu einer verstärkten Reduzierung
der Verweilzeit im Reaktor 2. Kürzere Feststoffverweilzeiten
führen zu einem geringeren Abbaugrad (Fig. 4). Zusätzlich wirkt
die Erhöhung der rückgeführten Menge an Methanisierungsablauf
einem pH-Wert-Abfall entgegen.
Wird die Rückführung des Methanisierungsablaufs reduziert und die
Feststoffzufuhr konstant gehalten oder erhöht, kann durch Redu
zieren der Rezirkulation im RUDAD-Reaktor ein Feststoffanstieg
verhindert werden. Ist die Rezirkulation auf Null und muß zur pH-
Wert-Absenkung die Rückführung von Methanisierungsablauf noch
weiter reduziert werden, steigt die Feststoffkonzentration im
Reaktor 2. Dies kann zur Hemmung der Feststoffhydrolyse durch
Transportlimitierung oder zur Überlastung und Beschädigung der
Maschinentechnik führen.
Eine gezielte Veränderung der Trennleistung der Fest/Flüssig-
Trennung ist maschinentechnisch aufwendig. Hinzu kommt, daß
aufgrund des sich häufig verändernden Trennverhaltens der zu
verarbeitenden Abfallgemische eine häufige Bestimmung der Trenn
leistung der Fest/Flüssig-Trennung notwendig ist. Da für die
vorliegenden Stoffströme aufgrund ihrer Zusammensetzung keine on-
line-Bestimmung der Trennleistung möglich ist, muß diese durch
Laboranalysen ermittelt werden. Somit ist mit diesem Parameter
keine zeitnahe Umsetzung der Steuerung möglich.
Zur pH-Wert-Anhebung im Reaktor 2 stehen zwei Reaktionsmöglich
keiten zur Verfügung, die ebenfalls ungünstige Auswirkungen
haben:
- 1. Erhöhung der Rückführung an Methanisierungsablauf,
- 2. Reduzierung der Feststoffzufuhr.
Die Erhöhung der Rückführrate an Methanisierungsablauf führt bei
konstanter Feststoffzufuhr und gleichzeitiger Erhöhung der Rezir
kulation im RUDAD-Reaktor zu keiner Beeinflussung der Feststoff
konzentration und Feststoffverweilzeit.
Eine Reduzierung der Feststoffzufuhr hat ein Absinken der Durch
satzleistung des Prozesses zur Folge.
Aufgrund der dargelegten bestehenden Verknüpfungen im PAQUES-
Verfahren ist es offensichtlich, daß mit diesem Verfahren im
Reaktor 2 (RUDAD) die Parameter pH-Wert, Feststoffkonzentration
und Feststoffverweilzeit nicht unabhängig voneinander zu steuern
sind. Wie dargelegt ist jedoch eine definierte Einstellung aller
drei Parameter für die Geschwindigkeit der Feststoffhydrolyse
entscheidend.
Dagegen ist das erfindungsgemäße Verfahren dem Stand der Technik
bezüglich Steuerung des pH-Werts und der Feststoffkonzentration
im Reaktor 2 überlegen. Mit diesem Steuerungskonzept können pH-
Wert, Feststoffkonzentration und Feststoffverweilzeit unabhängig
voneinander eingestellt werden.
Zusammenfassend ergeben sich erfindungsgemäß folgende Parameter
und Steuergrößen bei der Feststoffhydrolyse:
Parameter | |
Steuergröße | |
Feststoffverweilzeit | |
Zuzuführende Fracht an versäuertem Gemisch (Summe von 11 und 12) + Abfuhr | |
Feststoffkonzentration in der Feststoffhydrolyse | Verhältnis von rückzuführendem Methanisierungsablauf (22) zu produzierter Flüssigphase (20) + Zufuhr 11 + 12 |
pH-Wert in der Feststoffhydrolyse | Fördermengen der Stellglieder P11, P12 und P13 |
Ein Vergleich prozeßrelevanter Parameter des PAQUES-Verfahrens
gemäß dem Stand der Technik und des erfindungsgemäßen Verfahrens
stellt sich wie folgt dar:
Im RUDAD-Reaktor spielen für den Feststoffabbau Ciliaten und
anaerobe Pilze eine entscheidende Rolle (Gÿzen, H.J. et al,
Anaerobic digestion of cellulose fraction of domestic refuse by
means of rumen mikroorganisms, Biotechnology and Bioengineering
32 (1988), S. 749-755). Da diese meistens nicht in den zu ver
arbeitenden Feststoffen vorhanden sind, erfordert dies das Ein
fahren des Reaktors 2 mit einem speziellen Impfschlamm. Das
erfindungsgemäße Verfahren erfordert dies nicht. Im Reaktor 2
werden aus den in den zugeführten Feststoffen enthaltenen Mi
kroorganismen geeignete selektiert. Dies erfolgt durch entspre
chende Einstellung des pH-Werts und der Feststoffverweilzeit
(Größe der Generationszeit der gewünschten Mikroorganismen).
Die Ausbeute der Biogas-, insbesondere Methangasgewinnung läßt
sich dadurch erhöhen, daß im zweiten Reaktor zusätzlich zur
Feststoffhydrolyse eine Methanisierung vorgenommen wird und dem
zweiten und dem dritten Reaktor Biogas, insbesondere Methangas,
entnommen wird. Dadurch kann die Raumbelastung des dritten Reak
tors gesenkt und damit der Abbaugrad im dritten Reaktor erhöht
werden.
In der nachfolgenden Tabelle 4 ist die Gaszusammensetzung der
Feststoffhydrolyse und der Methanisierung in Vol.-% aufgeführt.
Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch
Verwendung der in den Ansprüchen 10 bis 17 beschriebenen Vor
richtung nutzbar.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren im
einzelnen beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung für die Durchfüh
rung des Verfahrens bei kontinuierlicher Beschickung
der Feststoffhydrolysestufe, und
Fig. 2 ein Blockdiagramm der Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens bei diskontinuierlicher Beschickung der
Feststoffhydrolysestufe,
Fig. 3 ein Regelschema für die pH-Wert-Steuerung gemäß der
Erfindung,
Fig. 4 den Abbaugrad im Gesamtprozeß in Abhängigkeit von der
Feststoffverweilzeit im Reaktor zur Feststoffhydroly
se,
Fig. 5 das PAQUES-Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
Nachstehend wird zunächst die Vorrichtung im einzelnen be
schrieben.
Im wesentlichen weist die Vorrichtung einen ersten Reaktor 1 für
die Versäuerung der organischen Substanzen, einen zweiten Reaktor
2 für zumindest die Feststoffhydrolyse der angesäuerten nicht
gelösten organischen Substanzen und einen Reaktor 3 für die
Methanisierung der gelösten organischen Substanzen auf.
Am Reaktor 1 ist ein Einlaß bzw. Input 10 angebracht, über wel
chen dieser mit den zu bearbeitenden organischen Substanzen
beschickbar ist.
Mit einem kommunizierenden Element 11, welches aus einer Leitung,
einem Kanal oder ähnlichem bestehen kann, ist der Reaktor 1 mit
einer Trennvorrichtung 4 verbunden, in der in geeigneter und an
sich bekannter Weise gelöste und nichtgelöste Stoffe trennbar
sind und dabei die gelösten Stoffe als Flüssigfraktion über ein
kommunizierendes Element 20 abführbar sind und die nichtgelösten
Stoffe über ein kommunizierendes Element 14 abführbar sind.
Das Element 14 ist mit dem Reaktor 2 verbunden, das Element 20
mit dem Reaktor 3, so daß dem Reaktor 1 entnommene gelöste Sub
stanzen dem Reaktor 3 zuführbar sind und dem Reaktor 1 entnommene
nichtgelöste dem Reaktor 2 zuführbar sind.
Über ein weiteres kommunizierendes Element 12 ist der Reaktor 1
direkt mit dem Reaktor 2 verbunden, wobei dadurch die im Reaktor
1 befindlichen Substanzen dem Reaktor 2 direkt zuführbar sind.
Mit einem kommunizierenden Element 13 ist der Reaktor 2 mit dem
Element 11 verbunden, hierdurch sind gelöste und nichtgelöste
Substanzen dem Reaktor 2 entnehmbar, der Trennvorrichtung 4 zu
führbar, wobei die nichtgelösten organischen Substanzen dem Reak
tor 2 zurückführbar sind, und die gelösten organischen Substanzen
dem Reaktor 3 zuführbar sind. Im Gegensatz zur Vorrichtung zur
Durchführung des PAQUES-Verfahrens weist die erfindungsgemäße
Vorrichtung keine Leitung zur Rückführung der Feststoffe in den
Reaktor 1 auf.
Der Reaktor 3 ist über ein weiteres kommunizierendes Element 22
mit dem Reaktor 2 direkt verbunden oder alternativ zusätzlich mit
dem Element 14 verbunden, wodurch im Reaktor 3 befindliche Sub
stanzen dem Reaktor 2 zuführbar sind.
Der Reaktor 3 weist einen für die gesteuerte Entnahme von Wasser
geeigneten Auslaß 23 auf.
An dem Reaktor 3 sowie dem Reaktor 2 sind Auslässe für die Ent
nahme von Gas, insbesondere Biogas wie z. B. Methangas, ange
bracht, welche geeignete Anschlüsse für weitere für die Entnahme
anzubringende Leitungen aufweisen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, welches vorzugsweise bei
kontinuierlicher Beschickung der Feststoffhydrolyse verwendet
wird, ist der Reaktor 2 über ein kommunizierendes Element 15 mit
einer Trennvorrichtung 5 für die Trennung gelöster und nicht
gelöster Stoffe in eine Feststofffraktion und eine Flüssig
fraktion verbunden. Die Trennvorrichtung ist mit einem weiteren
kommunizierenden Element 21 mit dem Element 20 verbunden, so daß
dem Reaktor 2 entnommene gelöste Stoffe dem Reaktor 3 zuführbar
sind.
Über einen an der Trennvorrichtung 5 angebrachten Auslaß 16 oder
ein kommunizierendes Element 16 sind der Trennvorrichtung 5
Reststoffe entnehmbar.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches vorzugsweise bei
diskontinuierlicher Beschickung der Feststoffhydrolyse Verwendung
findet, ist das Element 14 mit einem kommunizierenden Element 16
verbunden, so daß die durch die Trennvorrichtung 4 gewonnene
Feststofffraktion über das Element 16 als Reststoff entnehmbar
ist.
Nachstehend wird das Verfahren im einzelnen beschrieben.
Über den Input 10 werden dem ersten Reaktor 1 gelöste und/oder
nichtgelöste organische Substanzen zugeführt und einer Ver
säuerung unterzogen. Die zumindest angesäuerten organischen
Substanzen werden dem Reaktor 1 entnommen und über das Element 11
einer Trennvorrichtung zugeführt, in welcher diese in eine Fest
stofffraktion, die im wesentlichen die nichtgelösten organischen
Substanzen enthält, und in eine Flüssigfraktion, die im wesentli
chen die gelösten organischen Substanzen enthält, getrennt wer
den.
Die Flüssigfraktion wird über das Element 20 dem Reaktor 3 zu
geleitet, die Feststofffraktion über das Element 14 dem Reaktor 2.
Im Reaktor 2 werden die nichtgelösten organischen Substanzen
einer Feststoffhydrolyse unterzogen. Zusätzlich können die bei
der Feststoffhydrolyse gebildeten gelösten organischen Substanzen
einer Methanisierung unterzogen werden.
In Reaktor 3 findet eine Methanisierung der darin befindlichen
organischen Substanzen statt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden dem Reaktor 1
über das Element 12 organische Substanzen entnommen und dem
Reaktor 2 für dessen pH-Wert-Steuerung, insbesondere -Senkung,
direkt zugeführt.
Über das Element 13 werden in weiterer Ausgestaltung der Erfin
dung dem Reaktor 2 organische Substanzen entnommen und über einen
Teil des Elementes 11 der Trennvorrichtung 4 zugeführt, durch
welche die daraus gewonnene Flüssigfraktion über das Element 20
dem Reaktor 3 zugeleitet und die mittels der Trennvorrichtung
gewonnene Feststofffraktion über das Element 14 dem Reaktor 2
zugeleitet wird. Hierdurch kommt es durch das Abscheiden der
gelösten organischen Substanzen in der Regel zu einer pH-Wert-
Erhöhung im Reaktor 2, welche für die Steuerung des pH-Wertes des
Reaktors 2 verwendet wird.
Der Feststoffgehalt im Reaktor 2 wird dadurch gesteuert, daß vom
Reaktor 3 ein feststoffarmer Stoffstrom über das Element 22 dem
Reaktor 2 zugeführt wird. Darüber hinaus wird dabei die Pufferka
pazität der im Reaktor 2 vorhandenen Substanzen erhöht.
Durch die Entnahme von überschüssigem Wasser aus Reaktor 3 über
das kommunizierende Element 23 kann das Verhältnis des dem ersten
Reaktor 1 mit den organischen Substanzen zugeführten Wassers zu
dem dem zweiten und dem dritten Reaktor entnommenen Wasser kom
pensiert werden, so daß damit der Wassergehalt des Gesamtsystems,
insbesondere der Reaktoren 2 und 3, gesteuert werden kann.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird der Reaktor 2 kontinu
ierlich beschickt und diesem kontinuierlich über das Element 15
organische Substanzen entnommen, welche in der Trennvorrichtung
5 in eine Feststofffraktion und eine Flüssigfraktion getrennt
werden.
Die Feststofffraktion wird der Trennvorrichtung 5 über das Ele
ment 16 als Reststoff entnommen. Die Flüssigfraktion wird dem
Reaktor 3 über das Element 21 und ein Teil des Elementes 20
zugeführt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Reaktor 2 diskon
tinuierlich beschickt; hierbei findet die ebenfalls diskontinu
ierliche Reststoffentnahme über ein mit dem Element 14 verbun
denes weiteres Element 16 statt.
Die bei dem Verfahren gewonnenen Biogase werden in beiden Aus
führungsbeispielen dem Reaktor 2 und dem Reaktor 3 über die
Auslässe 30, 31 entnommen.
Im folgenden wird nochmals ein Überblick über die wichtigsten
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die anaerobe biologische
Hydrolyse und Biomethanisierung von komplexen organischen Stof
fen, wie z. B. von Biopolymeren, verbessert.
Die Hemmung der Feststoffhydrolyse in der Hydrolysestufe bei
kontinuierlicher Zufuhr komplexer Substrate mit leicht vergär
baren Bestandteilen wird erfindungsgemäß durch eine vorgeschalte
te Verfahrensstufe unterbunden (Versäuerungsstufe). Dadurch
werden vermehrt organische Feststoffe abgebaut. Dies führt er
stens zu einem höheren Biogasertrag und zweitens durch die gerin
gere Produktion an festen Reststoffen zu niedrigeren Entsorgungs
kosten.
Durch die Steuerung des pH-Wertes und der Feststoffkonzentration
im Hydrolysereaktor wird die biologische Hydrolyse der Feststoffe
beschleunigt. Dies führt bei gleichen Verweilzeiten zu einem
höheren Abbau, bzw. bei gleichem Abbaugrad wegen der kürzeren
Verweilzeiten zu kleineren Reaktorgrößen.
Ferner kann bei einer gleichbleibenden, kontinuierlichen Beschic
kung des Systems im Hydrolysereaktor der optimale pH-Wert einge
stellt werden. Somit ist zur pH-Wert-Steuerung keine Veränderung
der Beschickungsmenge notwendig.
Häufig ist bei der Biomethanisierung fester Stoffe eine pH-Wert-
Steuerung wegen des zusätzlichen Bedarfs an Säuren oder Laugen
nicht betriebswirtschaftlich. In diesem Verfahren werden zur pH-
Wert-Steuerung ausschließlich im Prozeß entstehende Produkte ver
wandt. Dadurch wird die Betriebswirtschaftlichkeit erhöht.
Bei Verzicht auf Laugendosierung wird ein Absinken des pH-Werts
in den biologischen Reaktoren üblicherweise durch Reduzierung der
Reaktorbelastung korrigiert. Dadurch sinkt die Durchsatzleistung
des Verfahrens. Um eine minimale Durchsatzleistung einhalten zu
können, muß deshalb die biologische Stufe überdimensioniert
werden. Durch die pH-Wert-Steuerung kann einem pH-Wert-Abfall
ohne Reduzierung der Durchsatzleistung begegnet werden, und somit
können diesbezüglich die Auslegungsreserven eingespart werden.
Das Verfahren besteht aus getrennten Reaktoren zur Versäuerung,
Hydrolyse und Methanisierung. Die bei der Versäuerung und Hydro
lyse gebildeten organischen Säuren werden mit einer Fest/Flüssig-
Trennung abgetrennt und dem Methanreaktor zugeführt. Der Ablauf
des Hydrolysereaktors wird entwässert, die Flüssigphase dem
Methanreaktor zugeführt und die Feststoffe ausgeschleust. Ein
Teil des Methanreaktorablaufs wird in den Hydrolysereaktor zu
rückgeführt.
Die organischen Stoffe liegen in wäßriger Phase mit einem Troc
kenrückstand von 1 bis 25 Gew.-% als ein Gemisch von gelösten und
ungelösten Substanzen vor. Das Gemisch (10) wird dem Reaktor 1
zugeführt. Dieser Behälter dient der Speicherung und, sofern die
gelösten organischen Substanzen nicht bereits spontan versäuert
sind, zur weitgehenden Fermentation der anaerob abbaubaren gelö
sten Substanzen. Werden mit dem Substratgemisch nicht ausreichend
fermentative Mikroorganismen in den Versäuerungsreaktor eingetra
gen, so kann dieser mit geeigneten Bakterien angeimpft und in
einer geeigneten Weise betrieben werden, so daß diese sich aus
reichend vermehren und nicht ausgewaschen werden. Wegen der
weitgehenden Fermentation der gelösten Bestandteile des Inputs
stellt sich in Reaktor 1 ein niedriger pH-Wert ein.
Aus Reaktor 1 wird das versäuerte Gemisch in den Reaktor 2 zur
Hydrolyse der Feststoffe gegeben. Da, wie z. B. bei Bioabfall,
sein pH-Wert zu niedrig ist (siehe Tabelle 1), wird zur Anhebung
des pH-Werts im Reaktor 2 auf ein zur Feststoffhydrolyse optima
les Niveau das Gemisch über eine Fest/Flüssig-Trennung (FFT1)
entwässert (11). Dadurch werden durch Fermentation gebildete
Säuren mit der Flüssigphase (20) zum Reaktor 3 abgeführt. Die
entwässerte Feststofffraktion (14) wird dem Reaktor 2 zugeführt.
Durch Rückführung des Ablaufs aus Reaktor 3 (22) wird dem Hydro
lysereaktor Pufferkapazität zugeführt. Die Rückführung des Metha
nisierungsablaufs kann entweder direkt oder zusammen mit der
Feststofffraktion (14) erfolgen.
Durch die Rückführung des Methanisierungsablaufs werden ständig
methanogene Mikroorganismen in den Reaktor zur Feststoffhydrolyse
eingetragen. Dadurch siedelt sich im Reaktor 2 neben der hydroly
tischen auch eine methanogene Biozoenose an, die bei der Fest
stoffhydrolyse gebildete Säuren direkt zu Biogas (30) umwandelt.
Ihre Aktivität wird maßgeblich durch den pH-Wert der Hydrolyse
stufe bestimmt. Entspricht der Abbau der gebildeten Säuren durch
die methanogenen Mikroorganismen der Produktionsrate an Säuren
durch die hydrolytischen Mikroorganismen, so bleibt im Reaktor
der pH-Wert konstant.
Steigt bei dieser Verfahrensführung durch eine zu hohe Aktivität
der methanogenen Mikroorganismen der pH-Wert im Reaktor 2 für
eine optimale Feststoffhydrolyse zu stark an, kann durch die
direkte Zugabe des versäuerten Gemisches (12) der pH-Wert wieder
auf einen optimalen Wert gesenkt werden.
Sinkt bei vollständiger Zufuhr des versäuerten Gemisches aus
Reaktor 1 zu FFT1 dagegen der pH-Wert in Reaktor 2 zu stark,
können durch eine Rezirkulation des Inhalts von Reaktor 2 (13)
gebildete Säuren abgeführt werden. Das Ersetzen der abgeführten
Flüssigphase durch Methanisierungsablauf (22) erhöht die Puffer
kapazität und begünstigt den direkten Abbau der gebildeten Säuren
in der Feststoffhydrolyse (Reaktor 2).
Der Austrag aus der Feststoffhydrolyse (15) erfolgt in Abhängig
keit der notwendigen Feststoffverweilzeit in Reaktor 2. Es wird
der FFT2 zugeführt und entwässert. Die Feststoffe (16) werden
ausgeschleust und die Flüssigphase (21) wird der Methanisierung
(Reaktor 3) zugeführt.
In der Methanisierung werden die mit den Flüssigphasen aus der
Fest/Flüssig-Trennung (20 und 21) zugeführten gelösten Substanzen
in Biogas (31) umgewandelt. Ein Teil des produzierten Kohlendi
oxids wird dabei in der Flüssigphase absorbiert. Dadurch hat der
Methanisierungsablauf eine erhebliche Karbonatpufferkapazität.
Diese wird zur pH-Wertanhebung in der Feststoffhydrolyse ausge
nutzt.
Wird mit dem Input (10) mehr Wasser eingetragen als mit den Strö
men Reststoffe (16) und Biogas (30 und 31) ausgetragen wird, ist
ein Teil des Methanisierungsablaufs als Überschußwasser (23)
auszuschleusen. Ist dagegen der Wassergehalt des Inputs zu nied
rig, muß dieser entsprechend erhöht werden, um die Wasserverluste
mit den Strömen 16, 30 und 31 zu ersetzen.
Über das Verhältnis von rückgeführtem Methanisierungsablauf (22)
zu abgeführter Flüssigphase (20) kann die Feststoffkonzentration
in der Feststoffhydrolyse gesteuert werden. Wird für das zu
behandelnde Gemisch im Hydrolysereaktor die jeweils optimale
Feststoffkonzentration eingestellt, führt dies zur Erhöhung der
Reaktionsgeschwindigkeit. Folglich kann die Verweilzeit und somit
das Reaktorvolumen der Hydrolysestufe reduziert werden.
Verläuft die Versäuerung der leicht vergärbaren Substanzen in der
Versäuerungsstufe nicht vollständig, wird ein Teil dieser Sub
stanzen mit dem Feststoffstrom (14) in die Feststoffhydrolyse
eingetragen. Dadurch kann die Hydrolyse der Feststoffe in Reaktor
2 gehemmt werden. Dieser kann durch eine diskontinuierliche
Beschickung der Hydrolysestufe begegnet werden. Dabei müssen die
Beschickungspausen so lang gewählt werden, daß in dieser Zeit die
in Reaktor 2 eingetragenen leicht vergärbaren Substanzen weitge
hend versäuert sind und danach noch genügend Zeit für eine weit
gehende Hydrolyse der Feststoffe zur Verfügung steht.
Durch eine diskontinuierliche Beschickung der Feststoffhydrolyse
(Reaktor 2) aus der Versäuerung (Reaktor 1) kann das zweite
Aggregat zur Fest/Flüssig-Trennung (FFT 1) eingespart werden. In
diesem Fall erfolgt der Austrag der Feststoffhydrolyse über FFT
1.
In diesem Fall dient der Reaktor 1 außer der Versäuerung auch der
Speicherung des Inputs. Der diskontinuierliche Betrieb der Fest
stoffhydrolyse erfolgt in drei Phasen.
In Phase 1 wird die Feststoffhydrolyse mit einer vorgegebenen
Menge an versäuertem Gemisch (11, 12) beschickt. Die Verteilung
auf 11 oder 12 erfolgt dabei gemäß dem im Reaktor 2 einzustellen
den pH-Wert. Entsprechend einem vorgegebenen Verhältnis wird ein
Teil der zur Methanisierung abgeführten Flüssigphase 20 durch
Rückführung des Methanisierungsablaufs ersetzt.
Steigt der pH-Wert über den Sollwert, wird der Anteil der direkt
zugeführten Menge an versäuertem Gemisch (12) erhöht. Dadurch
sinkt der pH-Wert im Reaktor 2.
Wird das ganze versäuerte Gemisch über die FFT dem Reaktor 2
zugeführt und der pH-Wert in der Feststoffhydrolyse ist zu nied
rig, wird in einer Phase 2 Feststoffhydrolyseinhalt über die FFT
rezirkuliert und ein Teil der produzierten Flüssigphase (20)
durch Methanisierungsablauf ersetzt. Dadurch erfolgt die Anhebung
des pH-Werts in Reaktor 2 auf den vorgegebenen Sollwert. Phase 2
kann entweder anschließend oder zeitgleich zu Phase 1 ablaufen.
Der Austrag aus Reaktor 2 erfolgt in Phase 3, die sich zeitlich
an die Phasen 1 und 2 anschließt. Dabei werden die entwässerten
Feststoffe nicht wie in Phase 2 in die Feststoffhydrolyse zurück
geführt, sondern aus dem Prozeß ausgeschleust.
Wie entscheidend der pH-Wert des Reaktors 2 das Ergebnis der
Feststoffhydrolyse beeinflußt ist aus Tabelle 1 ersichtlich.
Diese Versuchsergebnisse wurden bei der Verwertung von Bioabfall
aus der getrennten Sammlung von Siedlungsabfällen in einer halb
technischen Pilotanlage ermittelt, mit der die hier beschriebene
Verfahrensführung realisiert wurde. pH-Wert-Änderungen um 0,3
Einheiten führen schon zu einer deutlichen Reduzierung der Fest
stoffhydrolyse.
In Reaktor 1 können diese Bedingungen wegen der unkontrollierten
Versäuerung nicht eingehalten werden. Der pH-Wert liegt deutlich
unter dem Optimum der Feststoffhydrolyse, und bei Schwankungen um
1,5 Einheiten ist die erforderliche pH-Wert-Konstanz nicht mög
lich.
Der optimale pH-Wert der Feststoffhydrolyse wird maßgeblich von
der Zusammensetzung der zu hydrolysierenden Substanzen bestimmt.
Liegt für das Gemisch "Bioabfall" das pH-Optimum bei 6,4 (Tabelle
1), wurde die Cellulosefraktion des Bioabfalls bei einem pH-Wert
von 6,9 besser hydrolysiert (Tabelle 2).
Vergleicht man die mit der dargestellten Verfahrensführung bei
der Verwertung von Bioabfall erzielten Ergebnisse (Tabelle 3) mit
in der Literatur berichteten Leistungen zur anaeroben Vergärung
von Bioabfall, verdeutlicht sich die Überlegenheit des erfin
dungsgemäßen mehrstufigen Verfahrens mit pH-Wert gesteuerter
Feststoffhydrolyse. Bei kürzerer Verweilzeit wird eine höhere
Abbaurate erreicht. Da in der Literatur die Bezüge der Verweil
zeiten unterschiedlich sind, wurden für Tabelle 3 die angegebenen
Verweilzeiten auf eine einheitliche Bezugsgröße umgerechnet.
Die maschinentechnische Ausführung des Verfahrens ist den spezi
fischen Eigenschaften der zu behandelnden Substrate anzupassen.
Der Reaktor 1 kann entsprechend der Rheologie, des Versäuerungs
grads und der Kinetik der Versäuerung des Inputs (10) als voll
ständig durchmischter Reaktor oder einfacher Behälter ausgeführt
werden. Reaktor 2 ist entweder als durchmischter oder Kaskade von
mehreren Reaktoren oder als plug-flow-Reaktor auszulegen. Als
Reaktor 3 wurden verschiedene Reaktortypen getestet. Dabei er
brachten Festbettreaktoren bessere Ergebnisse als UASB und Kon
taktschlammreaktoren. Auch eine Kaskade von mehreren Reaktoren
ist möglich. Reaktor 2 und Reaktor 3 sind beide gasdicht ausge
führt, um eine quantitative Erfassung des produzierten Biogases
sicherzustellen. In Tabelle 4 ist die Gaszusammensetzung der
beiden Reaktoren angegeben. Der Methangehalt im Reaktor 2 wird
stark vom pH-Wert beeinflußt. Je niedriger der pH-Wert umso
geringer ist der Methangehalt.
Erfindungsgemäß ist somit auch an der Stelle je eines einzelnen
Hydrolyse- bzw. Methanreaktors eine Kaskade, d. h. mehrere solcher
Hydrolyse- bzw. Methanreaktoren bevorzugt einsetzbar.
Alle drei Reaktoren können im mesophilen als auch im thermophilen
Temperaturbereich betrieben werden. Für Reaktor 1 ist auch der
psychrophile Temperaturbereich möglich.
Je nach Korngrößenverteilung und Trennverhalten der Feststoffe
können zur Fest/Flüssig-Trennung von 11, 13 und 15 Siebe, Filter,
Filterpressen, Schneckenpressen, Zentrifugen oder Dekanter einge
setzt werden.
Die Messung des pH-Werts der Feststoffhydrolyse erfolgt entweder
im Reaktor 2 oder in der Leitung zur FFT 4 (14). Aufgrund der
besseren Zugänglichkeit ist die Leitung dem Reaktor vorzuziehen.
Die Dosierung des versäuerten Gemischs (11, 12) in den Reaktor 2
und zur FFT 4 erfolgt mittels Pumpen. Die Förderleistungen dieser
Pumpen werden in Abhängigkeit des pH-Werts in Reaktor 2 geregelt.
Soll sein pH-Wert gesenkt werden, ist der Förderstrom in 11 zu
reduzieren, und der Förderstrom in 12 um den entsprechenden
Betrag zu erhöhen. Zur Anhebung des pH-Werts im Reaktor 2 wird
als erste Maßnahme die Fördermenge in 11 erhöht und entsprechend
in 12 gesenkt. Wird das versäuerte Gemisch vollständig der FFT 4
zugeführt und der pH-Wert im Reaktor 2 ist noch zu tief, wird der
Förderstrom in 13 erhöht.
Die Feststoffphase der FFT 4 gelangt entweder durch Gravitation
(hierzu muß FFT 4 oberhalb des Reaktors 2 angeordnet sein) oder
mittels eines Förderaggregats, z. B. Feststoffpumpe, in die Fest
stoffhydrolyse. Zur Entschärfung dieses Förderproblems kann der
zu rezirkulierende Methanisierungsablauf (22) direkt der Fest
stoffphase zugemischt und anschließend in Reaktor 2 gefördert
werden.
Der Feststoffgehalt im Reaktor 2 wird durch ein entsprechendes
Volumenverhältnis von zurückgeführtem Methanisierungsablauf (22)
zu abgeführter Flüssigphase (20) eingestellt. Mittels Durchfluß
messung in 20 wird das abgeführte Volumen bestimmt und entspre
chend dem empirisch ermittelten Volumenverhältnis der Förderstrom
in 22 eingestellt.
Claims (24)
1. Verfahren zur biologischen Aufbereitung organischer Sub
stanzen, insbesondere zur anaeroben biologischen Hydrolyse
für die anschließende Biomethanisierung, mit pH-Wert-Steue
rung, bei welchem die einem ersten Reaktor (1) zugeführten
gelösten und/oder nichtgelösten organischen Substanzen in
diesem Reaktor (1) zumindest einer Versäuerung unterzogen
werden, der Hauptteil der dem ersten Reaktor (1) entnommenen
nichtgelösten zumindest angesäuerten organischen Substanzen
einem zweiten Reaktor (2) für die Durchführung zumindest
einer Feststoffhydrolyse zugeführt werden, und der Hauptteil
der gelösten zumindest angesäuerten organischen Substanzen
aus dem ersten Reaktor (1) und aus dem zweiten Reaktor (2)
einem dritten Reaktor (3) für die Durchführung zumindest
einer Methanisierung zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hauptteil der dem ersten Reaktor (1) entnommenen
organischen Substanzen einer Trennung in eine Feststoff
fraktion, welche im wesentlichen die nichtgelösten organi
schen Substanzen enthält, und in eine Flüssigfraktion,
welche im wesentlichen die gelösten organischen Substanzen
enthält, unterzogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Reaktor (1) gelöste und nichtgelöste organische Sub
stanzen entnommen werden und zur Steuerung, insbesondere zur
Senkung, des pH-Wertes dem zweiten Reaktor (2) zugeführt
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem zweiten Reaktor (2) gelöste und nichtgelöste organi
sche Substanzen entnommen werden und von diesen zumindest
ein Teil der gelösten organischen Substanzen dem dritten
Reaktor (3) zur Steuerung, insbesondere zur Erhöhung, des
pH-Wertes des zweiten Reaktors (2) zugeführt werden, wobei
der restliche Teil der entnommenen organischen Substanzen
dem Reaktor (2) wieder zurückgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pufferkapazität erhöht wird und der Feststoffgehalt
im zweiten Reaktor (2), dadurch gesteuert wird, daß dem
dritten Reaktor (3) ein feststoffarmer Stoffstrom entnommen
und dem zweiten Reaktor (2) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß überschüssiges Wasser dem dritten Reaktor (3) entnommen
wird und dadurch das Verhältnis des von dem ersten Reaktor
(1) mit den organischen Substanzen zugeführten Wassers zu
dem dem zweiten und dem dritten Reaktor (2, 3) entnommenen
Wasser kompensiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß im zweiten Reaktor (2) zusätzlich zur Feststoffhydrolyse
eine Methanisierung vorgenommen wird und dem zweiten Reaktor
(2) und dem dritten Reaktor (3) Biogas, insbesondere Methan
gas, entnommen werden.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Reaktor (1) kontinuierlich oder diskontinuier
lich mit organischen Substanzen beschickt wird und von dem
zweiten Reaktor (2) kontinuierlich gelöste organische Sub
stanzen dem dritten Reaktor (3) zugeführt werden und kon
tinuierlich dem zweiten Reaktor (2) Reststoffe entnommen
werden, wobei die Reststoffe vorzugsweise durch Trennung der
nichtgelösten organischen Substanzen von den gelösten organ
ischen Substanzen nach der Entnahme aus dem zweiten Reaktor
(2) vor der Beschickung des dritten Reaktors (3) gewonnen
werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Reaktor (1) kontinuierlich oder diskontinuier
lich mit organischen Substanzen beschickt wird und der
zweite Reaktor (2) diskontinuierlich beschickt und ihm
diskontinuierlich Reststoffe entnommen werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur pH-Wert-Absenkung folgende Schritte ausgeführt
werden:
- a) die Rückführung (13) des Inhalts aus Reaktor (2) zur FFT (4) durch Verringern der Fördermenge von P13 verringert wird;
- b) die Rückführung (22) des Methanisierungsablaufs zu Reak tor (2) entsprechend dem vorgegebenen Verhältnis verringert wird;
- c) durch die Schritte a) und b) der Feststoffgehalt in Reaktor (2) konstant gehalten und hierdurch die pH-Wert- Absenkung verstärkt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß, wenn die Fördermenge von P13 minimal oder Null ist, zur
weiteren pH-Wert-Absenkung folgende Schritte ausgeführt
werden:
- a) versäuertes Gemisch wird über (12) direkt dem Reaktor (2) zugeführt,
- b) die Zufuhr aus (11) wird gesenkt,
- c) die Fördermenge von P12 wird erhöht,
- d) die Fördermenge von P11 wird entsprechend gesenkt und
- e) durch Anpassung der Fördermenge von P22 an die produzier te Flüssigphase (F20) entsprechend dem vorgegebenen Verhält nis wird der Feststoffgehalt im Reaktor (2) konstant gehal ten.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Anhebung des pH-Werts folgende Schritte durchgeführt
werden:
- a) die Zufuhr des versäuerten Gemisches über (11) wird erhöht und die von (12) entsprechend gesenkt;
- b) die Fördermenge von P11 wird erhöht und die von P12 entsprechend gesenkt;
- c) die Zufuhr von Methanisierungsablauf (22) wird entspre chend erhöht, um die Feststoffkonzentration im Reaktor (2) konstant zu halten.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur weiteren Anhebung des pH-Wertes folgende Schritte
ausgeführt werden:
- a) die Fördermenge von P13 und P22 über die Leitungen (13 und 22) wird erhöht;
- b) die Rückführung des Methanisierungsablaufs wird an die produzierte Filtratmenge (F20) angepaßt;
- c) durch a) und b) wird die Feststoffkonzentration in Reak tor (2) konstant gehalten.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche zur Durchführung eines Verfahrens,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster mit einer Zuführung (10) versehener Reaktor
(1) über kommunizierende Elemente (11, 14, 20) mit einem
zweiten und einem dritten Reaktor (2, 3) verbunden ist,
wobei kein Element zur Rückführung der Feststoffe in den
Reaktor (1) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den ersten Reaktor (1) mit dem zweiten und dem
dritten Reaktor (2, 3) verbindenden kommunizierenden Elemen
te (11, 14, 20) über eine Trennvorrichtung (4) für die
Trennung gelöster und nichtgelöster Stoffe in eine Fest
stofffraktion und eine Flüssigfraktion miteinander verbunden
sind.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Reaktor (1) über ein weiteres kommunizierendes
Element (12) mit dem zweiten Reaktor (2) verbunden ist.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Reaktor (2) über ein weiteres kommunizieren
des Element (13) mit dem Element (11) verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dritte Reaktor (3) über ein weiteres kommunizieren
des Element (22) mit dem zweiten Reaktor (2) direkt und/oder
über das Element (14) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß an dem dritten Reaktor (3) ein Auslaß (23) für die
Entnahme von Wasser angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Reaktor (2) über ein kommunizierendes Element
(15) mit einer Trennvorrichtung (5) für die Trennung gelö
ster und nichtgelöster Stoffe in eine Feststofffraktion und
in eine Flüssigfraktion verbunden ist, wobei die Trennvor
richtung (5) mit dem Ausgang für die Flüssigfraktion über
ein kommunizierendes Element (21) und/oder das Element (20)
mit dem dritten Reaktor (3) verbunden ist und einen Auslaß
(16) für Feststoffe aufweist.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß am zweiten und dritten Reaktor (2, 3) Auslässe (30, 31)
für die Entnahme von Gasen angebracht sind.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reaktor (2) ein durchmischter oder ein plug-flow-
Reaktor ist.
23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reaktor (3) ein Festbettreaktor ist.
24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reaktoren (2) und/oder (3) kaskadenförmig ausgebil
det sind.
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