DE4415017C2 - Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, insbesondere Gülle - Google Patents
Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, insbesondere GülleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Kombi-Biogasreaktor
zur Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse,
insbesondere Gülle, sowie zur Aufbereitung anfallender
anorganischer Abfallprodukte.
Die zunehmende Konzentrierung umfangreicher Tierbestände in
landwirtschaftlichen Großviehanlagen führte zu einer Umstellung
der traditionellen Stallmist/Jauche-Wirtschaft auf die
effektivere Flüssigmist/Güllewirtschaft.
Die in großen industriellen Anlagen anfallenden Güllemengen
verursachen grundsätzlich eine Reihe von Folgeproblemen, die
sich aus den natürlichen pflanzenbaulichen Erfordernissen, den
zulässigen Stickstoffbelastungen der Boden und des
Grundwassers, dem Defizit an landwirtschaftlicher Nutzfläche im
Verhältnis zum Tierbestand und den daraus resultierenden
enormen Lagerkapazitäten und dem damit verbundenen Wertverlust,
insbesondere bei der konzentrierten Ausbringung durch
Ammoniakemission, die bis zu 35% des Stickstoffs betreffen
kann, ergeben. Gleichzeitig ist mit dieser Emission eine
erhebliche Umweltbelastung verbunden.
Aus der Literatur sind eine Vielzahl von Verfahren und
Ausrüstungen zur Behandlung von Gülle und Abwasserprodukten aus
der Landwirtschaft bekannt, wovon ein großer Teil bisher
umgesetzter Modelle mit zu hohem technischen Aufwand realisiert
wurden. So sind Verfahren auf dem Markt oder in Erprobung, die
mit enormen Aufwand an Grundmitteln und Energie die
Zielstellung "Vorfluterreife" erreichen wollen. So zum Beispiel
durch den Einsatz der Membranfiltertechnik, Verfahren der
Schlammeindickung sowie kostenaufwendige chemische Verfahren
zur Schadstoffelimination. Kernpunkt fast jeder Gülleauf
bereitungsanlage ist der zur Vergärung mittels Anaerob
fermentation eingesetzte Biogasreaktor.
In DE 38 43 789 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Aufbereitung besonders von Gülle beschrieben, die sich dadurch
auszeichnen, daß die Gülle einer anaeroben Vergärung unter
Erzeugung von Biogas unterworfen wird. Hierzu werden aus der
Gülle die Feststoffe abgetrennt, die Dünngülle kontinuierlich
einem mit Bakterien immobilisierten Festbett-Durchfluß-Reaktor
zugeführt, wobei aus diesem das anfallende Biogas und die
Abfallprodukte abgeführt werden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, daß die gesamte Gülle
auf einen pH-Wert < 11 eingestellt werden muß. Die gewonnenen
Feststoffe müssen nach der vorgeschlagenen zwei- oder
mehrstufigen Zentrifugation (die einen hohen anlagen
technischen Aufwand darstellen) neutralisiert werden, um als
Düngemittel Verwendung finden zu können, das erhaltene Filtrat
muß ebenfalls neutralisiert werden, bevor es einer üblichen
Wasseraufbereitung unterzogen werden kann. Desweiteren ist
durch die mehrfache starke pH-Wert-Regulierung der Aufwand an
zuzugebenden Chemikalien, die wieder als Abfall beseitigt
werden müssen, sehr hoch.
In DE-OS 32 32 530 wird ein Biogashochleistungsdurchlaufreaktor
beschrieben, bei dem in einem Reaktorraum hochmolekulare
organische Materialien durch Bakterienstämme in organische
Materialien mit niedrigem Molekulargewicht und diese in
niedrige organische Säuren überführt werden, die abgebauten
Produkte nach unten sinken und innerhalb des Fermentations
raumes zwischen Führungen aus offenporigem Material geführt
werden. Dieser Reaktor ist jedoch nicht für die Verarbeitung
von Gülle einsetzbar.
Ein Tunnelreaktor wird in DE-OS 38 05 864 beschrieben, in dem
der zugeführten Gülle ein Kohlenstoffträger, z. B. Sägemehl,
zugegeben wird, die nicht gebundene Flüssigkeit über einen
perforierten Boden ausgeschieden und der Rohkompost auf einer
Nachrottefläche gelagert wird, ehe er als Rückgut erneut in den
Tunnelreaktor zugeführt und mit neuer Gülle bewässert wird. Bei
diesem Verfahren ist insbesondere die relativ lange
Verweildauer sowie die erforderliche Zwischenlagerung von
Nachteil.
In DE-OS 37 23 851 wird ferner ein Biogasreaktor mit trichter
förmigen Trennelementen beschrieben. Der Trichter ist von einem
zylinderförmigen Mantel derart umgeben, daß zwischen Mantel und
Reaktorwand ein Ringkanal und zwischen Mantel und Trichter ein
Gassammelraum ausgebildet ist, aus dem Gas über eine
Abführleitung abgeführt wird. Hierbei wirkt sich nachteilig
aus, daß durch die Ansaugwirkung der Zirkulationsstromung auf
dem Weg von der Trichterspitze zum außen liegenden Ringkanal
die aufsteigenden Gasblasen abgefangen und direkt in den
äußeren Ringkanal geleitet werden, so daß die Abscheideleistung
verringert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch die
Entwicklung eines zweistufigen Kombinations-Biogasreaktors die
enzymatischen und mikrobiellen Reaktionen und Prozeßabläufe
sowie eine partielle Konzentrierung der verschiedenen
Inhaltsstoffe und partielle Rückführung der Konzentrate zur
Beschleunigung zu gewährleisten, ohne daß Verzögerungen im
Gasbildungsverlauf auftreten.
Diese Aufgabe wird durch die Festlegung der konstruktiven
Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruchs gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen gekennzeichnet.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der zweistufige
Kombinations-Biogasreaktor wirkungsvoll die Funktionen des
Festbettreaktors und des Schlammbettreaktors zu einer
Kombination vereinigt, eine hohe Biomasserückhaltung realisiert
sowie bei Gewährleistung einer hohen Variabilität in der
Anpassung der individuellen Zusammenstellung und kürzester
Verweildauer der zu verarbeitenden Medien eine ökonomische und
anwenderfreundliche Lösung darstellt, die sich durch einen
hohen Wirkungsgrad, Funktionssicherheit und minimalem ausrü
stungstechnischen Aufwand auszeichnet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispieles,
der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
Der in der zugehörigen Zeichnung dargestellte Biogasreaktor 1
besteht aus einer ersten, im unteren Teil trichterförmig ausge
bildeten, Verarbeitungsstufe 2 und einer zweiten Verarbei
tungsstufe 3, die über Überleitungsöffnungen 12 miteinander
verbunden sind.
Innerhalb der ersten Verarbeitungsstufe ist zur Einstellung der
Prozeßtemperatur eine Heizung 8 installiert und im oberen Teil
eine Durchmischung 9 angeordnet, die eine Schwimmdeckenbildung
während des Verarbeitungsprozesses verhindert.
In der zweiten Verarbeitungsstufe 3 ist zwischen der ersten
Verarbeitungsstufe 2 und Reaktorinnenwand ein Anaerobfilter 4,
bestehend aus speziell für diesen Anwendungsfall hergestellten
und auf Trägerrahmen montierten Glasfasern, sternförmig
angeordnet. In einem festgelegten Raster sind die Glasfasern
mit weiteren Trägereinheiten verbunden, die im Anaerob
filterbereich entlastend eingehängt sind.
Der untere Teil der zweiten Verarbeitungsstufe 3 ist als
Schlammbettreaktor 5 ausgebildet. Die Auflockerung des
Schlammes geht vom unteren Mittelpunkt aus, wobei sich durch
die trichterförmige Ausbildung des unteren Teiles der ersten
Verarbeitungsstufe 2 eine allseitige, den gesamten Freiraum
erfassende, Umwälzung ergibt.
Der obere Teil des Reaktors 1 ist für eine Gastrennung in einen
CH₄-Gasraum 6 und einen CO₂-Gasraum 7 ausgebildet. Die
Gastrennung geht bis zu den Überleitungsöffnungen 12, die mit
Gasleiteinrichtungen versehen sind.
Für die Zuführung der Rohgülle, Abführung der ausgefaulten
Gülle, die Schlammumwälzung und den Impfgutrücklauf sind
außerhalb des Reaktors 1 Dickstoffpumpen 10 angeordnet, die
über Magnetventile 11 steuerbar sind.
Das im zweistufigen Kombi-Biogasreaktor 1 zu verarbeitende
Substrat gelangt von einem Wärmetauscher über eine Zuleitung
in den trichterförmigen unteren Teil der ersten Verarbei
tungsstufe 2 und wird dort durch die installierte Heizung 8 auf
ein höheres Temperaturniveau gebracht. Durch die ansteigende
Temperatur und die im oberen Teil der ersten Stufe angeordnete
Durchmischung 9 mit weiterer Aufheizung 8 bis zur Prozeß
temperatur läuft die Hydrolyse und die säurebildende Phase ab,
bei der die Reduzierung der hochmolekularen organischen
Verbindungen zu niedrigmolekularen Verbindungen stattfindet.
Mit diesem Aufbereitungszustand gelangt das Substrat durch die
Überleitungsöffnungen 12 in den ringförmigen Teil der zweiten
Verarbeitungsstufe 3, wobei die Überleitung durch den Zufluß
weiterer Biomasse in die erste Verarbeitungsstufe 2 gesteuert
wird. Gleichzeitig verhindert die Durchmischung 9 eine Schwimm
deckenbildung.
In der ringförmigen zweiten Verarbeitungsstufe 3 verwerten die
Methanbakterien die Stoffwechsel- und Spaltprodukte der
Säurebildner. Im Gegensatz zur ersten Verarbeitungsstufe 2
fließt das Substrat in der zweiten Verarbeitungsstufe 3 von
oben nach unten und durchwandert den im Ring der zweiten Stufe
installierten Anaerobfilter 4, der beispielsweise eine Fläche
von 280 m²/m³ Reaktorvolumen aufweist und so für einen hohen
Grad an Biomasserückhaltung sorgt, womit die Verweilzeit des
Substrates auf wenige Tage begrenzt werden kann. Dieser
Anaerobfilter verarbeitet Gülle mit hohen TS-Gehalten (6-8%)
ohne zu verblocken.
Während der gesamten Zeit, in der das Substrat den Filter 4
durchwandert, sinken Grobteile schneller zu Boden und sorgen
für eine starke Schlammanreicherung im unteren Teil des
Reaktors. Durch eine weitere Schlammanreicherung, die durch
Rückführung aus einem Absatzbecken erreicht wird, sowie durch
ein mit geringem Druck arbeitendes Umwälzsystem arbeitet der
untere Teil des Kombi-Biogasreaktors zusätzlich als
Schlammbettreaktor mit hoher Biomasserückhaltung. Dieses System
regelt auch die vorzugsweise 15%ige Schlammrückführung zur
Impfung des Substrates in der ersten Verarbeitungsstufe 2.
Die aus dem Reaktor 1 abzuführende Dünngülle durchläuft im
weiteren Aufbereitungsprozeß unter anderen bekannten
Anlagenteilen eine Ammoniakstrippanlage 13 sowie eine
biologische Nachkläranlage 14, wobei es sich als vorteilhaft
erwiesen hat, diese genannten Anlagenteile zur Gestaltung der
Immobilisierungstechnik ebenfalls mit Glasfaserfiltern nach dem
Beispiel des Reaktors 1 auszurüsten.
Durch die zweistufige Gestaltung des Kombi-Biogasreaktors wird
das in der ersten Verarbeitungsstufe überwiegend erzeugte CO₂
ausgesondert sowie für bestimmte Funktionen des gesamten
technologischen Verfahrensprozesses eingesetzt und belastet
dadurch nicht mit seinem bis zu 40%igen Volumenanteil den
Methangasgehalt. Der damit verbundene höhere Brennwert des
Methangases läßt auch eine wirtschaftlichere Zwischenlagerung
durch Volumenminderung zu.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der
Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination miteinander wesentlich sein.
Claims (3)
1. Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung von
insbesondere Gülle, gekennzeichnet dadurch,
daß er aus einem Biogasreaktor (1) mit einer inneren ersten, im
unteren Teil trichterformig ausgebildeten, Verarbeitungsstufe
(2) besteht, in die über eine Zulaufpumpe (10) die Rohgülle
eintritt und über angeordnete Heizungen (8) zur Einstellung der
Prozeßtemperatur von unten nach oben geleitet wird, daß zur
Vermeidung von Schwimmdeckenbildung im oberen Teil der ersten
Verarbeitungsstufe eine Durchmischung (9) angeordnet ist und
der obere Teil des Biogasreaktors (1) in einem CH₄-Gasraum (6)
und einen CO₂-Raum (7), über bekannte Gasleiteinrichtungen
beschickbar, aufgeteilt ist, daß der Biogasreaktor (1) zwischen
dieser ersten Verarbeitungsstufe (2) und der Behälterinnenwand
zu einer ringförmigen zweiten Verarbeitungsstufe (3) ausge
bildet ist, die über Überleitungsöffnungen (12) mit der ersten
Verarbeitungsstufe (2) miteinander verbunden ist, in der ring
förmigen zweiten Verarbeitungsstufe (3) ein Anaerobfilter (4),
bestehend aus auf Trägerrahmen montierten Glasfasern, stern
förmig angeordnet ist und der untere Teil der zweiten Verar
beitungsstufe (3) als Schlammbettreaktor (5) ausgebildet ist,
daß bei Erreichung der Prozeßtemperatur der Gülle in der ersten
Verarbeitungsstufe (2) über die Zulaufpumpe (10) erneut Roh
gülle eingeleitet wird, die die versäuerte Gülle aus dem oberen
Teil der ersten Verarbeitungsstufe (2) über die Überleitungs
öffnungen (12) in die ringförmige zweite Verarbeitungsstufe (3)
drückt, wo sie von oben nach unten den Anaerobfilter (4)
durchläuft und sich im Schlammbettreaktor (5) absetzt und daß
die Abführung der ausgefaulten Gülle, die Schlammumwälzung und
der Impfgutrücklauf über Dickstoffpumpen (10) im unteren Teil
des Biogasreaktors (1) erfolgt, die über Magnetventile (11)
steuerbar sind.
2. Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch, daß die Glasfasern in definierten
Abständen mit weiteren Trägereinheiten verbunden sind, die im
Anarobfilterbereich (4) an der Reaktorinnenwand eingehängt
sind.
3. Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch, daß dem Biogasreaktor (1) bekannte
Anlagenteile nachgeschaltet sind, bei denen die Ammoniak
strippanlage (13) sowie die biologische Nachkläranlage (14) zur
optimalen Gestaltung der Immobilisierungstechnik ebenfalls mit
Glasfaserfiltern ausgerüstet sind.
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DE4415017A DE4415017C2 (de) | 1994-04-29 | 1994-04-29 | Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, insbesondere Gülle |
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DE4415017A DE4415017C2 (de) | 1994-04-29 | 1994-04-29 | Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, insbesondere Gülle |
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |