DE4444462A1 - Verfahren zur anaeroben Fermentation von organisch abbaubaren Stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben Fermenta­ tion von organisch abbaubaren Stoffen in einer Reaktor-Anla­ ge.

Verfahren zur anaeroben Fermentation sind aus der Praxis all­ gemein bekannt, wobei zwischen Einstufen- und Zweistufenpro­ zessen unterschieden wird. Einstufige Verfahren arbeiten sowohl nach dem Naß- als auch nach dem Trockenverfahren. Die Vorteile der einstufigen Verfahren liegen in der einfachen Verfahrenstechnik, wogegen die Nachteile in der geringeren Leistung liegen. Bei den zweistufigen Verfahren erfolgt die Hydrolyse und die Säurebildung von der Methanisierung räum­ lich getrennt, wobei die biochemischen Bedingungen optimal auf die Mikroorganismen abgestimmt werden können. Dadurch sind hohe Abbauleistungen und kurze Verweilzeiten möglich. Die Nachteile der zweistufigen Verfahren sind in der auf­ wendigen Verfahrenstechnik begründet, wobei zudem ein hoher Reparatur- und Wartungsaufwand erforderlich ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur anaeroben Fermentation von organisch abbaubaren Stoffen zu schaffen, das sich bei einfacher Verfahrenstechnik durch eine hohe Abbauleistung des eingegebenen Materials auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Anlage als ein zweistufig arbei­ tendes Einreaktor-System, vorzugsweise mit einem Volumen < 100 m³, ausgebildet und in der Anlage zur verbesserten Durchfeuchtung von eingegebenem Material und zur Gewährlei­ stung einer Prozeßsteuerung eine gesteuerte Sickerwasser-Kreislaufführung eingebunden ist. Dadurch wird in Erfüllung der Aufgabenstellung ein Verfahren geschaffen, bei dem in der Reaktor-Anlage sowohl eine saure als auch eine Methan-Phase gebildet ist, d. h. es werden sowohl organische Säuren als auch Methan und CO₂ in der Reaktor-Anlage gebildet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Möglichkeit geschaffen, immer definiertes Austragsmaterial zu erhalten.

Vorteilhafterweise läuft im Einreaktor-System die saure und die Methan-Phase simultan ab. Dabei befindet sich die saure Phase im oberen Bereich und die Methan-Phase im mittleren bis unteren Bereich der Reaktor-Anlage in geschichteter Form.

Die im oberen Bereich des Reaktors gebildeten organischen Säuren können durch das im Kreislauf geführte Wasser in den mittleren bzw. unteren Bereich des Reaktors gelangen und dort im wesentlichen zu Methan und CO₂ umgewandelt werden. Die Intensität der Kreislaufführung muß dabei im Rahmen einer Prozeßoptimierung eingestellt werden. Bei zu hoher Wassermen­ ge kommt es zu einem Wasserrückstau im oberen Behälterbereich und ggf. zu zu hohen Wassersickergeschwindigkeiten in der Reaktor-Anlage. Ist die rückgeführte Menge pro Zeit zu ge­ ring, findet kein ausreichender Transport der organischen Säuren in die unteren Behälterbereiche statt, wodurch es zu Versäuerungserscheinungen bis hin zur vollständigen Ver­ säuerung kommen kann.

Vorteilhafterweise können die abbaubaren Stoffe vor Einlei­ tung der anaeroben Fermentation einen Feststoffgehalt von 30 bis zu 55% in der Trockensubstanz aufweisen. Dadurch ist keine Befeuchtung des Ausgangsmaterials vor Befüllung des Reaktors erforderlich.

Zur Erreichung einer definierten Aufenthaltszeit und eines möglichst weitgehenden Abbaus des in die Reaktor-Anlage ein­ gegebenen Materials ist dieses nach Art eines statischen Gravitationsverfahrens pfropfenartig absenkbar, so daß eine Reaktor-Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens keine zusätzlichen Baugruppen benötigt, die das ein­ gegebene Material durchmischen müssen. Vielmehr strömt bzw. sinkt das Material quasi von allein in der Reaktor-Anlage nach unten.

Dem Reaktor kann ein Testsystem zur Bestimmung des in die Reaktor-Anlage einzubringenden Mischungsverhältnisses von ausgefaultem und frischem Material abhängig vom Substrat bzw. von der Abfallart zugeordnet sein. Dabei wird in Abhängigkeit vom Gehalt des Substrates an leicht abbaubaren Stoffen eine adäquate Menge an ausgefaultem Material hinzugegeben. Das ge­ eignete Mischungsverhältnis wird in Vorversuchen im Labormaß­ stab festgestellt. Dies ist erforderlich, weil es infolge eines zu hohen Gehaltes an leicht abbaubaren Stoffen in dem dem Reaktor zugeführten Material zu einer vollständigen Ver­ säuerung des Reaktorinhalts kommen kann. Ist dagegen der Anteil an ausgefaultem Material zu hoch, werden kaum organi­ sche Säuren im Überschuß produziert, wodurch das Verfahren nicht mehr wirtschaftlich arbeiten kann.

Neben einer exakten Einstellung des Mischungsverhältnisses und der Wasserkreislaufführung kann zusätzlich eine pH-Wert-Messung über die Höhe der Reaktor-Anlage zur Prozeßsteuerung beitragen. Kommt es zu einem Absinken des pH-Wertes im mitt­ leren Bereich < 5,5, dann ist die Zufuhr an frischem Sub­ stratgemisch zu stoppen. Durch die Zugabe von ausgefaultem Material und/oder die künstliche Anhebung des pH-Wertes des zugeführten Kreislaufwassers kann eine Versäuerung des Reak­ tors vermieden werden. Die pH-Wert-Anhebung kann entweder über das Kreislaufwasser oder aber direkt in den entsprechen­ den Bereichen der Reaktor-Anlage erfolgen.

Zur Erhöhung der Sicherheit der Reaktor-Anlage kann diese Mittel zur Vermeidung einer Explosion umfassen.

Dies ist auf besonders einfache und kostengünstige Weise erreichbar, wenn die Materialeinleitung und der Materialaus­ trag gasdicht erfolgt.

Dazu kann die Materialeinleitung in den oberen Bereich der Reaktor-Anlage über eine Doppelschleuse realisiert werden.

Der Materialaustrag kann über eine selbstdichtende Ausbildung der auszuschleusenden Materialpfropfen gasdicht erfolgen. Dabei kann der Materialaustragsbereich als eine Kombination von Schneckenförderern und eines ansteigenden, einen Mate­ rialpfropfen aufnehmenden Austragrohres ausgebildet sein. Dadurch ist bei relativ geringem Aufwand mit hoher Sicherheit ein gasdichter Austrag des ausgefaultem Materials ermöglicht.

Zur Erhöhung einer wirtschaftlichen Arbeitsweise des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens kann die Reaktor-Anlage beheizbar ausgebildet sein. Eine besonders zuverlässige Prozeßoptimie­ rung ist erreichbar, wenn die Heizung für die Reaktor-Anlage stufenlos bis 60°C einstellbar ist.

Um eine Brückenbildung des sich in der Reaktor-Anlage befin­ denden Materials zu vermeiden, kann der Behälter konisch aus­ gebildet sein, wobei er sich nach oben verjüngt.

Vorteilhafterweise kann verfahrensbedingt anfallendes Über­ schußwasser aus dem Wasserkreislauf ausgeschleust und mittels Umkehrosmose behandelt werden. Dieses Überschußwasser kann aufgrund des Abbaus von Feststoffen in Abhängigkeit vom Aus­ gangswassergehalt des jeweiligen Substrats bzw. Materials anfallen. Das entstehende Überschußwasser ist vor allem mit relativ hohen Konzentrationen anorganisch schwer abbaubarer Stoffe und Ammonium sowie Chloriden belastet. Um das Abwasser entweder direkt ins Gewässer (Direkteinleiter) oder in die Kanalisation (Indirekteinleiter) ableiten zu können, ist des­ halb eine Behandlung erforderlich. Diese Behandlung erfolgt, wie bereits erwähnt, mittels Umkehrosmose, wobei diese in Abhängigkeit von den zu erbringenden Reinigungsleistungen ein- oder mehrstufig sein kann. Das entstehende Konzentrat wird zurück in den Reaktor gefördert. Da beim Einsatz eines schadstoffarmen Ausgangssubstrates das Konzentrat in der Regel nicht unverhältnismäßig hoch mit Schadstoffen angerei­ chert ist, wird die Qualität des ausgefaulten Materials nicht negativ beeinflußt. Grundsätzlich besteht aber auch die Mög­ lichkeit der Schadstoffausschleusung über das Überschuß- und/oder Kreislaufwasser. Diese Maßnahme kann dann von Bedeutung sein, falls schadstoffbelastete Substrate behandelt werden und/oder das Ausgangsmaterial konfektioniert werden muß.

Die Schadstoffe aus dem Material können mit Hilfe der Umkehr­ osmose über eine Schadstoffausschleusung im Wasserkreislauf entsorgt werden. Als Ausgangsmaterial können bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren in einem gewissen Umfang auch flüssige Stoffe, die in den Wasserkreislauf eingespeist werden, mitbe­ handelt werden.

Vom Prinzip können alle organischen Abfälle, die von Stör­ stoffen befreit werden sollen, in der nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren arbeitenden Reaktor-Anlage behandelt werden.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen oder -möglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der Aus­ führungsbeispiele hervor.

Eine Ein-Reaktor-Anlage zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens besteht aus einem siloartigen Behälter mit einem Volumen < 100 m³. In den Behälter wird über ein her­ kömmliches Transportband das der anaeroben Fermentation zu unterziehende Abfallmaterial zugeführt. Als Abfallstoffe kommen z. B. Bioabfall, Sonderabfall aus Lebensmittelabfall sowie Schlachthof-, Markt- und Fischabfälle aber auch kommu­ naler Restabfall in Frage. Das Transportband fördert die zu verarbeitenden Abfallstoffe in den oberen Bereich des Behäl­ ters, wo sie dann über eine Doppelschleuse ohne Luftzutritt in den Behälter gebracht werden. Die Beschickung erfolgt dis­ kontinuierlich. In dem Behälter ist eine Wasserkreislauffüh­ rung integriert. Dazu wird Wasser von oben in das im Behälter gelagerte Material verregnet und über ein Sickersystem zu­ rückgeführt.

Das im Behälter aufgenommene Abfallmaterial wird, da über einen gasdicht ausgebildeten Materialaustrag fertig fermen­ tiertes Material diskontinuierlich entnommen wird, mit der Zeit ohne zusätzliche Vorrichtungen oder Baugruppen nach Art eines statischen Gravitationsverfahrens pfropfenartig und in Schichten in Richtung zum Boden des Behälters nach unten be­ fördert. Zusätzliche mechanische Mischinstrumente sind also nicht erforderlich.

Die gesammelten Abfallstoffe werden im Rahmen einer Vorbe­ handlung gesiebt, schonend durchmischt und ggf. zerkleinert. Das Ausgangsmaterial wird zur "Impfung" mit bereits ausge­ faultem Material vermischt und wie beschrieben in den Reak­ torbehälter gefüllt. Dieser ist stufenlos beheizbar. Dazu kann das bei der Faulung entstehende Gas benutzt werden, indem es getrocknet und in einem Speicher gesammelt wird.

Claims (19)

1. Verfahren zur anaeroben Fermentation von organisch abbau­ baren Stoffen in einer Reaktor-Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage als ein zweistufig arbeitendes Einreaktor-System ausgebildete und in der Anlage zur verbesserten Durchfeuchtung von einge­ gebenen Material eine gesteuerte Sickerwasser-Kreislauf­ führung eingebunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Einreaktor-System eine saure und eine Methan-Phase simultan ablaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die saure Phase im oberen Bereich und die Methan-Phase im unteren Bereich der Reaktor-Anlage in geschichteter Form befinden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die im oberen Bereich des Reaktors gebildeten organischen Säuren durch das im Kreislauf geführte Wasser in den mittleren
bzw. unteren Bereich des Reaktors transportiert und dort im wesentlichen zu Methan und CO₂ umgewandelt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die abbau­ baren Stoffe vor Einleitung der anaeroben Fermentation einen Feststoffgehalt von 30 bis zu 55% in der Trocken­ substanz aufweisen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erzie­ lung einer definierten Aufenthaltszeit des in die Reaktor-Anlage eingegebenen Materials dieses pfropfen­ artig absenkbar ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Reak­ tor ein Testsystem zur Bestimmung des in der Reaktor-Anlage einzubringenden Mischungsverhältnisses von aus­ gefaultem und frischem Material abhängig vom Substrat bzw. der Abfallart zugeordnet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß neben einer exakten Einstellung des Mischungsverhältnisses und der Wasserkreislaufführung zusätzlich eine pH-Wert-Messung über die Höhe der Reaktor-Anlage zur Prozeß­ steuerung beiträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Reak­ tor-Anlage Mittel zur Vermeidung einer Explosion zugeord­ net sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Materialeintrag zur Vermeidung einer Explosion gasdicht erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Materialeinleitung über eine Doppelschleuse erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Materialaustrag gasdicht erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Materialaustrag über eine selbstdichtende Ausbildung der auszuschleusenden Materialpfropfen gasdicht erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialaustrag als Kombination eines Schneckenförderers, eines anstei­ genden, einen Materialpfropfen aufnehmenden Austragrohres und einer Feststoffpumpe ausgebildet ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , da­ durch gekennzeichnet, daß die Reak­ tor-Anlage beheizbar ausgebildet ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Beheizung stufenlos bis 60°C einstellbar ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behäl­ ter der Reaktor-Anlage konisch ausgebildet ist, wobei er sich nach oben verjüngt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß verfah­ rensbedingt anfallendes Überschußwasser aus dein Wasser­ kreislauf ausgeschleust und mittels Umkehrosmose behan­ delt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umkehrosmose ein- oder mehrstufig erfolgt.