DE60218132T2

DE60218132T2 - Verfahren und Anlage zur Konversion biologisch abbaubarer Materialien in ein Produktgas

Info

Publication number: DE60218132T2
Application number: DE60218132T
Authority: DE
Inventors: Larry Fresno Raven
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: JP4149766B2; AU2002300811A1; DE60218132D1; CA2400538C; MXPA02009348A; EP1354940B1; DK1354940T3; ATE353950T1; CA2400538A1; EP1354940A2; EP1354940A3; JP2003306686A; AU2002300811B2

Description

STAND DER TECHNIK 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende betrifft die Produktion bzw. Erzeugung von Methan und anderen brennbaren Gasen, die nützlich sind für die Leistungserzeugung durch Umwandlung nicht toxischer, biologisch abbaubarer organischer Stoffe bzw. Materialien und hoher Feststoffe, wie etwa Zucker, Stärke und/oder Kohlenhydrate, in ein Produktgas. Das Gas besteht primär aus Methan, Kohlendioxid und Wasserstoff. Leistung kann erzeugt werden, indem das Gas in einem Brenner oder einem anderen geeigneten Motor oder Generator weiter verbrannt wird, um Elektrizität zu erzeugen. Die Elektrizität kann für den Betrieb der Gasproduktionsanlage selbst eingesetzt werden, und etwaige überschüssige Elektrizität bzw. überschüssiger Strom kann für den Vertrieb an Dritte zur Verfügung gestellt werden, wo die Elektrizität in Motoren, Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, Bussen, etc. eingesetzt werden kann. Das Gas kann auch als Brennstoff für gasbetriebene Motorgeneratoren für Enttrübungsanlagen eingesetzt werden. Alternativ kann das Gas gereinigt und als Reingas als Ersatz für Naturgas bzw. Erdgas verwendet werden.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Die Produktion bzw. Erzeugung von Methan und anderen nützlichen Biogasen durch anaerobes Faulen bzw. Digerieren verschiedener organischer Abfälle bzw. Abscheidungen, im Besonderen von organischem Klärschlammabfall, ist allgemein bekannt. Das organische Ausgangsmaterialgemisch, das das Substrat für den anaeroben biologischen Abbau bereitstellt, kann eine umfassende Vielzahl organischer Kohlenstoffquellen umfassen. Viele Autoklaven bzw. Biokonverterdesigns, Ausgangsmaterialien, Mischungen bzw. Gemische und Zusatzstoffe wurden bereits vorgeschlagen, um den Methanertrag zu erhöhen und um eine bessere Umwandlungseffizienz organischer Materialien bzw. Stoffe in nutzbare Produkte bereitzustellen.
Die Produktion von Biogas wurde im siebzehnten Jahrhundert entdeckt. Heute werden Biogase, wie zum Beispiel Methan, allgemein in städtischen Abwasserbehandlungsanlagen in einer geregelten Umgebung unter Verwendung von anaeroben Biokonvertern erzeugt. Die meisten dieser Biokonverter bzw. Autoklaven sind vollständige Mischkonverter. Die Behandlung von Abwasser in städtischen Einrichtungen ist sehr teuer, und die Kosten werden durch die Erhebung von Gebühren an die Anwohner und Gewerbe für die Entsorgung deren Abwasser über die Kanalisation beglichen. Die anaerobe Behandlung erfordert erhebliche Wärmemengen, wobei diese Wärme jedoch durch das erzeugte Methangas kompensiert werden kann. Es gibt zahlreiche Variationen der anaeroben Faulung, die sehr erfolgreich und sehr grundlegend sind. Die Umwandlung organischer Stoffe bzw. Materialien in Biogas wird von Mikroorganismen in dem Biokonverter bzw. in der Fauleinrichtung vorgenommen. Diese Mikroorganismen leisten die Arbeit, solange der organische Anteil und die Temperatur in dem Biokonverter innerhalb bestimmter Grenzwerte gehalten werden.
Anaerobe Filterreaktionen fördern die Retention von Bakterien in dem Biokonverter, indem Bakterien an feste inerte Stoffe in dem Biokonverter gebunden werden. Anaerobe Filter-Biokonverter sind ferner überwiegend auf flüssige Ausgangsmaterialien beschränkt, die einen Anteil von weniger als etwa 1 Prozent (1 %) Feststoffe aufweisen, da sie verstopfen, wenn die Feststoffkonzentration zunimmt aufgrund einer höheren Feststoffbelastung oder der Akkumulation von Feststoffen über längere Betriebszeiträume.
Implementiert wurden Biokonverter-Bauweisen mit idealer horizontaler Strömung, wobei Reaktoren mit idealer horizontaler Strömung jedoch auf den Einsatz homogener Festkörper-Ausgangsmaterialien beschränkt sind (wie etwa Dünger), die sich nicht durch Schwerkraft absetzen. Die Biokonverter-Bauweise mit idealer horizontaler Strömung fördert das schnelle Austreten von Gas aus der flüssigen Phase. Reaktoren mit idealer horizontaler Strömung weisen allgemein schlechte Umwandlungseffizienzen des biologisch abbaubaren Anteils im Bereich von etwa 40 bis 60 Prozent auf, aufgrund der biologisch nicht reaktionsfähigen Zonen in dem Biokonverter, Kurzschlüsse des Ausgangsmaterials und bakterieller Auswaschung.
Die anaerobe Faulung von terrestrischem Pflanzenstoffen zur Erzeugung von Methangas ist bekannt gemäß dem Beispiel in "Methane Production by Anaerobic Digestion of Bermuda Grass" von D.L. Klass und S. Ghosh, präsentiert im Rahmen des Symposium on Biomass as a Non-Fossil Fuel Source, ACS/Chem. Soc. of Japan Joint Chemical Congress, Honolulu, Hawaii, USA, 1. bis 6. April 1979. In ähnlicher Weise bekannt ist die anaerobe Faulung von Wasserpflanzenstoffen zur Erzeugung von Methan gemäß den Ausführungen in "An Economic Assessement of Fuel Gas from Water Hyacinths" von R. P. Lecuier und J. H. Marten, Symposium-Unterlagen, Clean Fuels from Biomass, Sewage, Urban Refuse, Agricultural Wastes, Orlando, Florida, USA, 27.–30. Januar 1976.
Das U.S. Patent US-A-4.329.428 lehrt die Produktion von Methangas mit höherem Ertrag und mit höheren Raten durch thermophile und mesophile anaerobe Faulung einer Mischung aus Planzenstoffen bzw. pflanzlichen Materialien terrestrischen oder aquatischen Ursprungs und organischen Abfällen. Das U.S. Patent US-A-4.424.064 lehrt die Produktion von Methangas mit höherem Ertrag und höheren Raten durch thermophile oder mesophile anaerobe Faulung von aquatischen Pflanzenstoffen, die zumindest teilweise oder vollständig in organisch verunreinigtem Wasser gewachsen sind. Das U.S. Patent US-A-4.316.961 lehrt höhere Erträge von Methangas bei höheren Raten durch thermophile oder mesophile anaerobe Faulung von Pflanzenstoffen und/oder organischen Abfällen mit normalerweise niedriger biologischer Abbaubarkeit in Gegenwart eines Extrakts. unterschiedlicher Pflanzenstoffe.
Ein anaerobes Schwebefilterverfahren bzw. Schlammkontaktverfahren (UASB als englische Abkürzung von Upflow Anaerobic Sludge Blanket) wurde für die biologische Umwandlung von Ausgangsstoffen entwickelt, die darin hauptsächlich löslichen organischen Abfall enthalten, mit kleinen Mengen von Feststoffen, normalerweise weniger als ein Prozent des Ausgangsmaterials. Die bakterielle Masse kann sich in dem Reaktor setzen. Das Schwebefilterverfahren und der entsprechende Reaktor sind in den folgenden Publikationen beschrieben: "Anaerobic Treatment of Methanolic Wastes" von G. Lettinga et al., Water Research, Band 33, S. 725–737, Pergamon Press Lt., 1979; und "Upflow Sludge Blanket Processes" von G. Lettinga et al., 3. International Symposium on Anaerobic Digestion, 1983, Cambridge, Massachusetts, USA; und in "Anaerobic Treatment of Raw Domestic Sewage" von G. Lettinga et al., in Ambient Temperatures Using a Granular Bed, UASB Reactor, Biotechnology and Bioengineering, Band XXV, S. 1701–1723, 1983. Dieses Reaktordesign ist auf flüssige Ausgangsmaterialien mit einem Feststoffanteil von weniger als etwa einem Prozent beschränkt und es erfordert effektive Gas/Flüssigkeitsabscheider, Recycling für eine Betterweiterung und eine Einrichtung zum Verteilen des Ausgangsmaterials über die Unterseite bzw. den Boden des Reaktors.
Durchlauf-Schwebebett-Faulungseinrichtungen, die ein Turmdesign oder einen unterstützten Filmreaktor einsetzen, werden in "Fluidized-Bed Fermenters: A Steady-State Analysis" von G. F. Andrews, Biotechnology and Bioengineering, Band XXIV, S. 2013–2030, 1982, beschrieben. Dieser Artikel lehrt, dass in Turmfaulungseinrichtungen bzw. Faultürmen tendenziell eine Stratifikation auftritt, und wobei die Feststoffkonzentration entlang der Höhe des Faulturms variiert, mit einer niedrigen Zellenkonzentration in den oberen Abschnitten des Faulturms, was zu einer geringen volumetrischen Produktivität führt.
Das U.S. Patent US-A-4.208.279 lehrt die anaerobe Faulung von tierischen Abfällen, die der Oberseite und einem Ende eines ungerührten Faulungsvolumens zugeführt werden, das etwa fünfmal so breit wie hoch ist. Ausströmender Schlamm wird an dem gegenüberliegenden Ende des Reaktors entfernt. Die Feststoffbewegung in dem Biokonverter erfolgt im Wesentlichen horizontal, und das flüssige Volumen wird nicht gerührt, mit Ausnahme durch Gasbildung. Geeignete Feststoffverweilzeiten liegen bei einem Monat und darüber, und die Feststoff-Ausgangsmaterialkonzentration entspricht etwa 5 Prozent.
Das U.S. Patent US-A-4.311.593 lehrt die anaerobe Faulung von Abwasser in einem Biokonvertervolumen, das ungefähr viermal zu breit ist wie hoch. Mikroorganismen werden auf Medien mit hohem Oberflächenbereich stabilisiert. Die Agitation der Mikroogranismus-Biomasse auf den Medien erfolgt durch Gaserzeugung, die durch die Reaktorflüssigkeit in Blasen nach oben tritt. Das U.S. Patent US-A-4.388.186 lehrt die mechanische Kondensation von Schlamm vor der anaeroben Faulung des Schlamms in einem vertikal elongierten, gerührten Faultank. Das Patent '186 lehrt ferner die separate Ausführung einer Säurefermentierungsstufe und einer Säureregressionsstufe vor der Ausführung einer alkalischen Fermentationsstufe in dem elongierten bzw. gereckten, gerührten Faultank. Das U.S. Patent US-A-1.806.698 lehrt einen Schlammbiokonverter, bei dem sich Feststoffe auf dem Boden ansammeln. Faul- bzw. Faulraumwasser in dem oberen Abschnitt des Biokonverters wird zu der Oberfläche des Biokonverterinhalts recycelt, um Schwimmschlamm bzw. Schaum zu reduzieren. Das U.S. Patent US-A-1.880.773 lehrt ferner eine anaerobe Faulung von Klärschlamm in einem Biokonverter, wobei sich Feststoffe auf dem Boden des Tanks absetzen. Faulwasser bzw. obenstehende Flüssigkeit aus dem oberen Abschnitt des Biokonverters wird rezirkuliert, um die Ansammlung von Schwimmschlamm oder Schaum auf der Oberseite des Inhalts des Biokonverters zu verhindern.
Das U.S. Patent US-A-5.746.919 offenbart ein Verfahren zur Behandlung eines Abfallstroms durch Zufuhr des Stroms durch einen thermophilen, anaeroben Reaktor und in der Folge durch einen mesophilen anaeroben Reaktor, um ein verbessertes Verfahren zur biologischen Behandlung eines Abfallstroms bereitzustellen.
DD 256.799 offenbart einen mesothermalen Prozess zum Erzeugen von Biogas durch anaerobe Fermentation in unterschiedlichen Temperaturbereichen aus heterogenen organischen Substanzen aus der Landwirtschaft, der Forstwirtschaft und der Lebensmittelproduktion, aus städtischen Betrieben, der chemischen Industrie sowie anderen Industrien, und zwar unter Verwendung einer Kombination aus Säurefaulung, mesophiler Faulung und methanogener thermophiler Faulung in einem Verfahren.
FR 2.711.980 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von Restschlamm aus städtischen Betrieben oder der Industrie durch anaerobe Faulung unter Verwendung eines ersten Schritts der thermophilen anaeroben Faulung und eines zweiten Schritts der mesophilen anaeroben Faulung, so dass dicke Rückstände bzw. dicker Schlamm behandelt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung von biologisch abbaubarem organischem Material in ein Produktgas, wobei im Wesentlichen keine Rückstände verbleiben, gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
Vorgesehen ist gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Umwandlung von biologisch abbaubarem organischem Material in ein Produktgas gemäß den gegenständlichen Ansprüchen 24 oder 34.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
In bestimmten Ausführungsbeispielen stellt die vorliegende Erfindung sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung bereit, um einen oder mehrere Biokonverter mit einem entsprechend geeigneten Ausgangsmaterial für die Produktion von nützlichem Biogas zu versorgen. Das Ausgangsmaterial ist Zucker, Stärke und/oder ein anderes geeignetes Kohlenhydratmaterial (nachstehend "Ausgangsmaterial"), das mehr als 10 und bis zu 100 Prozent biologisch abbaubare Feststoffe enthält und entweder als vollständig neues Ausgangsmaterial oder in Kombination mit einem Abfall- bzw. Abwasserstrom bereitgestellt werden kann. Die Erfindung verwendet ein Ausgangsmaterial mit einem hohen prozentualen Anteil von Feststoffen, wobei fünfundneunzig Prozent (95 %) oder mehr der Feststoffe biologisch abbaubar sind und in Biogas umgewandelt werden. Reiner Zucker ist ein ausgezeichnetes Ausgangsmaterial, da es mehr als neunundneunzig Prozent (99+ %) Feststoffe enthält und zu neunundneunzig Prozent (99+ %) biologisch abbaubar ist. Rübenmelasse weist eine Zuckerbasis zwischen etwa fünfundvierzig (45 %) und etwa siebenundvierzig Prozent (47 %) auf. Derartige Melassen wandelt etwa fünfundneunzig Prozent (95 %) ihres Zuckergewichts in Biogas um. Fünfundneunzig Gewichtsprozent (95 %) der Stärke werden in Biogas umgewandelt. Den Ausgleich zu dem Ausgangsmaterial aus Zucker, Stärke oder Kohlenhydrat bildet größtenteils Wasser.
Zu anderen möglichen Ausgangsmaterialien zählen unter anderem und ohne einzuschränken Stoffe wie Stärke, hohe Zuckerarten (auch bekannt als Polysaccharide), Rübenzucker, Zuckerrübenmelasse, Zuckerrübensirup, Zuckerrübensaft, Zuckerrohrmelasse, Rohrzucker, Zuckerrohrsirup, Zuckerrohrsaft, Maissirup, Glukose, Getreidekorn, Maismehl, Weizenmehl, Reismehl, Kartoffelsaft, Kartoffelpulpe, Sojabohnensorghum und andere Stoffe und/oder Kombinationen dieser, bei denen es sich jeweils um Ausgangsmaterial handelt, das mehr als 10 und bis zu 100 Prozent biologisch abbaubare Feststoffe aufweist. Das vorstehend aufgeführte Beispiel von reinem Zucker wandelt die Feststoffe in 100 % Biogas um.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit dem zugehörigen Verfahren unter Verwendung anaerober Biokonverter eine besonders niedrige Menge an flüssigen Abfällen bzw. Abwasser zur Entsorgung bereitzustellen, wenn es nicht in Verbindung mit einer Abwasserbehandlungsanlage eingesetzt wird. Das Verfahren bzw. der Prozess wandelt 98 bis 100 Prozent des Ausgangsmaterials in Produktgas um, was eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt die Injektion großer Mengen von nicht toxischem Ausgangsmaterial bereit, um einheitlich hohe Raten der biologischen Umwandlung und eine erhöhte Verfahrensstabilität und Profitabilität bereitzustellen. Eine höhere Stabilität eines anaeroben Faulungssystems führt zur Produktion von höherwertigem Produktgas mit einem höheren Methananteil und einer effizienteren Nutzung von Ausgangsmaterial. Ventile und/oder Pumpen, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, befinden sich außerhalb des Inhalts des Biokonverters und können bei Bedarf ersetzt werden, was eine sehr geringe oder keine Ausfall- bzw. Stillstandszeit des Biokonverters erforderlich macht. Bereitgestellt wird durch die vorliegende Erfindung eine im Wesentlichen vollständige biologische Umwandlung von biologisch abbaubaren Komponenten von Ausgangsmaterialien und einer höheren biologischen Umwandlung von Biofeststoffen von Abwasser in normalen städtischen Abwasserbehandlungsanlagen, und zwar aufgrund der außerordentlich hohen Konzentration von thermophilen Mikroorganismen und methanogenen Organismen, die in den Biokonvertern erzeugt und gehalten werden. Vorgesehen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen vollständige biologische Umwandlung in den Biokonvertern bzw. Faulungsanlagen. Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung die im Wesentlichen vollständige biologische Umwandlung der biologisch abbaubaren Komponenten von Ausgangsmaterialien bei höheren Raten der biologischen Umwandlung.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weist die grundlegenden Schritte des Bestimmens des bzw. der entsprechenden zu verwendenden Ausgangsmaterial(ien), der Zufuhr eines oder mehrerer derartiger Ausgangsmaterialien an mindestens einen Biokonverter entweder als vollständig neues Ausgangsmaterial oder gemischt mit Abwasser zur Bildung eines Eingangsstroms und des Rezirkulierens des Stroms durch einen thermophilen anaeroben Biokonverter bzw. eine Faulungseinrichtung und danach einen mesophilen anaeroben Biokonverter, die in Reihe bzw. hintereinander betrieben werden, auf. Der Inhalt des Eingangsstroms sowie die Temperatur jedes der Biokonverter müssen sorgfältig festgelegt und während dem Umwandlungsverfahren überwacht werden. Das Verfahren kann die zusätzlichen Schritte der Vorerwärmung des Eingangsstroms (im Besonderen, wenn vollständig neues Ausgangsmaterial eingesetzt wird) und des Reinigens des durch die Reaktion für raffiniertere Einsatzzwecke erzeugten Biogases aufweisen.
Das Verfahren kann einen einzelnen Biokonverter oder eine Reihe mehrerer Biokonverter des Typs von Biokonvertern mit vollständiger Mischung betreiben. Das Verfahren und die Vorrichtungen sind in Tanks einer Vielzahl von Formen einsetzbar bzw. funktionsfähig. Der Innenraum der Biokonvertertanks weist keine beweglichen Teile auf. Das Verfahren und die Vorrichtung für die anaerobe Faulung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen zwei- bis zehnmal höhere Feststoffbeschickungen als wie dies herkömmlich für Biokonverter mit Tanks mit kontinuierlichem Rühren der Fall ist, wodurch niedrigere Faulungsvolumenanforderungen je Pfund Feststoffe, die in nutzbares Gas umgewandelt werden, bereitgestellt werden. Herkömmliche Rührtank-Biokonverter, die unter mesophilen Bedingungen arbeiten, ermöglichen eine Feststoffbeschickung bzw. Feststoffbelastung von etwa 0,8 bis etwa 1,6 kg organischer Stoffe/m³/Tag (etwa 0,05 bis etwa 0,1 Pfund organische Stoffe/Fuß³/Tag). Das thermophile anearobe Faulungsverfahren und die Faulungsvorrichtung mit Feststoffkonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten mit deutlich höheren Feststoffbeschickungen von mehr als 48 kg organische Stoffe/m³/Tag (3,0 Pfund organische Stoffe/Fuß³/Tag) unter Beschickung mit Zucker, Stärke oder Kohlenhydraten. Je weniger Schlamm in den Biokonverter eintritt, desto mehr Zucker kann eingesetzt und desto mehr Gas kann erzeugt werden. Der Vorteil von mit Zucker gespeisten anaeroben Biokonvertern ist die Temperatur, die auf 70 °C oder höher geregelt wird bei einem Einsatz in Verbindung mit städtischen Kanalisations-Wasserbehandlungsanlagen, und wobei eine höhere Systemstabilität beibehalten wird. Die Population der hydrolisierenden, mikrobiellen Gärungserreger hält Verunreinigungsstoffen und toxischen Komponenten verhältnismäßig gut stand, während die Methan erzeugenden Mikroorganismen eine geringere Widerstandsfähigkeit in Bezug auf toxische Komponenten aufweisen.
Die Vorrichtung weist einen und vorzugsweise zwei anaerobe Biokonverter auf, die in Reihe betrieben werden, zudem ein entsprechend geeignetes Sammel- und Fördersystem für Ausgangsmaterial, wie zum Beispiel ein Droptank oder dergleichen sowie Röhrenleitungen, Leitungen, Ventile, Temperaturregler, Heizeinrichtungen und Reinigungs- bzw. Wascheinheiten. Im Besonderen weist die Vorrichtung Rohrleitungen bzw. Rohrstränge und Aufbewahrungstanks zum Einführen von abgemessenen, geregelten Ausgangsmaterialien auf, wie etwa von Zuckerrübenmelasse oder Zuckerrohrmelasse in die Mischleitung des thermophilen Biokonverters, so dass die Eingabe auf dem oberen Flüssigkeitsniveau in dem thermophilen Biokonverter und mesophilen Biokonverter herauskommt. Die Vorrichtung reduziert oder eliminiert die Schaumbildung bzw. Filterschlammbildung, indem ein Teil des Inhalts des Biokonverters dauerhaft recycelt wird und indem der Inhalt an die Oberseite des Flüssigkeisniveaus des Biokonverters zurückgeführt wird.
Im Besonderen weist die Misch-/Rezirkulationsleitung des Biokonverters eine externe Pumpe auf, die den Schlamm vom Boden des Biokonverters ansaugt und den Schlamm zur Überseite des Schlammniveaus des Biokonverters nach der Oberseite pumpt, wobei dieses Pumpverfahren dazu führt, dass der Biokonverter jederzeit vollständig gemischt ist. Neues Ausgangsmaterial mit einer aufgelösten Feststoffkonzentration von mehr als 10 und bis zu 100 Prozent an biologisch abbaubaren Feststoffen wird in die rezirkulierende Mischleitung eingeführt und direkt mit dem Schlamm der Biokonverter verdünnt und tritt oben in den Biokonverter ein. Normale Abwasserbehandlungsanlagen weisen sehr kleine Feststoffanteile auf, die in die Anlage eintreten. Der primäre und sekundäre Schlamm wird so geregelt, dass er den gewünschten Feststoffanteil des Biokonverters aufweist. Die genannte Regelung der Feststoffe ermöglicht es der Bedienungsperson, eine entsprechend geeignete Menge Zucker, Stärke und/oder Kohlenhydrate als Ausgangsmaterial hinzuzufügen, um sehr aktive thermophile und mesophile Biokonverter zu erzeugen.
Mindestens zwei sehr unterschiedliche Systeme werden durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt. Bei dem ersten handelt es sich um ein Standalone- bzw. unabhängiges System für die Erzeugung von Biogas, wobei das System einen Eingangsstrom verwendet, der ein sorgfältig ausgewähltes und gut überwachtes Ausgangsmaterial aufweist, das nur mit Wasser und/oder dem vorhandenen Biokonverter-Schlamm gemischt wird. Bei dem zweiten System handelt es sich um ein Ergänzungs- bzw. nachrüstbares System für einen bereits bestehenden Abfall- bzw. Abwasserstrom (wie dies zum Beispiel in einer städtischen Abwasserbehandlungseinrichtung gefunden werden kann) zur Verbesserung der Qualität des bestehenden Abwasserstroms für eine bessere Erzeugung von Biogas und einen höheren prozentualen Anteil der Umwandlung biologisch abbaubarer Feststoffe in dem Abwasserstrom.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, auf effiziente Art und Weise die maximale Biogasmenge zu den geringsten Kosten zu erzeugen.
Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Standalone-System, das sowohl einen thermophilen, anaeroben Biokonverter als auch einen mesophilen, anaeroben Biokonverter einsetzt, die mit einem geregelten Ausgangsmaterial von über 10 und bis zu 100 % organischen, biologisch abbaubaren Feststoffen arbeiten. Das Ausgangsmaterial muss in hohem Maße biologisch abbaubar sein und gerade genug Wasser verwenden, um einen Schlamm zum Zwecke des Mischens zu bilden. Das Standalone-System verwendet keine Abwasser- bzw. Abfallprodukte und wird nicht in Verbindung mit einer etwaigen Abwasserbehandlungsanlage jeglicher Art eingesetzt. Die Biokonverter in dem System weisen jeweils eine aktive, erzeugende, mikrobielle anaerobe Faulungspopulation auf, die in Flüssigkeit aufgelöste Hydrolyse-Fermentationsorganismen umfasst. Bei dem Standalone-System kann es sich bei dem Ausgangsmaterial um Zucker, Stärke, Kohlenhydrate oder jede Kombination dieser handeln, und mit vorzugsweise zwischen neunzig und einhundert Prozent (90 %–100 %) Feststoffen, die im Wesentlichen vollständig biologisch abbaubar sind (d.h. die einen Wert der biologischen Abbaubarkeit von 99 % näherungsweise erreichen). Nachdem die Biokonverter in Betrieb genommen worden sind, wird das Ausgangsmaterial gemischt und danach vorsichtig bzw. sorgfältig in die in Reihe angeordneten Biokonverter eingeführt, wo das Material digeriert wird bzw. einer Faulung ausgesetzt wird und zu Biogas wird.
Das Standalone-System stellt eine praktisch vollständige (d.h. näherungsweise 100 %) Bioumwandlung von biologisch abbaubaren Feststoffen bereit. Folglich muss etwas verunreinigungsfreies Wasser, das zum Verdünnen des Ausgangsmaterials eingesetzt wird, hinzugefügt werden, um den Biokonverter auf einem zulässigen Wert für die Fortsetzung der Verarbeitung eingesetzt werden. Das erzeugte Biogas ist feucht, wenn es ansteigt und von oben aus dem Inneren jedes Biokonverters gesaugt wird. Da das Standalone-System nicht toxisches, organisches, in hohem Maße biologisch abbaubares Ausgangsmaterial mit geringem Wasseranteil verwendet, wird nur wenig, sofern überhaupt, Ausgangsmaterial und Mikroorganismen ausgewaschen, was zu einer erhöhten Umwandlungseffizienz und einem stabileren Zustand des Biokonverters führt.
Dem Standalone-System liegt somit die wichtige Aufgabe zugrunde, so wenig zu entsorgendes vorgereinigtes Wasser zu erzeugen wie möglich, eine höhere Erzeugung von Biogas vorzusehen und keine zu entsorgenden Biofeststoffe vorzusehen.
Eine weitere wichtige Aufgabe des Standalone-Systems ist es, eine unbegrenzte Haltezeit bereitzustellen, da das Ausgangsmaterial in dem Biokonverer bleibt, bis es als Biogas austritt.
Dem Standalone-System liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine anaerobe Faulung von Ausgangsmaterialien von Zucker, Stärke und Kohlenhydraten in einer vollständig neu gestalteten, frei stehenden Einrichtung bereitzustellen, die einzig zum Zweck der Erzeugung von Biogas aus einem erneuerbaren Produkt zu erzeugen, und ohne den Einsatz eines Abfallprodukts oder dem Einsatz in Verbindung mit einer Abwasserbehandlungsanlage, die Abwasser von einer Stadt empfängt.
Dem Standalone-System liegt die weitere Aufgabe zugrunde, trockene Ausgangsmaterialien zu verwenden, wie zum Beispiel Zucker, Stärke und Kohlenhydrate, die entweder mit verunreinigungsfreiem Wasser oder Biokonverterflüssigkeit gemischt werden, um einen Schlamm zu erzeugen, der zur Erleichterung des Pumpens benötigt wird.
Dem Standalone-System liegt die weitere Aufgabe zugrunde, höhere Temperaturen überflüssig zu machen, die ansonsten erforderlich wären, um die Pathogene und andere in einem Abwasser- bzw. Abfallstrom vorhandene Verunreinigungen zu pasteurisieren. Nachdem alle Feststoffe in Gas umgewandelt worden sind, existieren in einer Standalone-Biokonverter-Biogasanlage nur noch Rückstände bzw. Abfälle in geringem Ausmaß, sofern überhaupt, die entsorgt werden müssen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine entsprechend ausgewählte Feststoffkonzentration mit einem Abwasser- bzw. Abfallstrom gemischt und danach in den bzw. die Biokonverter zur Umwandlung in Biogas eingeführt. Die Kombination des Systems mit einer städtischen oder sonstigen Abwasserbehandlungsanlage unterstützt die Erzeugung eines hohen Volumens von Biogas, das sich profitabel vertreiben lässt, während es zudem durch Pasteurisieren des Abwasser- bzw. Klärschlamms die Einhaltung des Standards Class A Biosolids 40 C.F.R. Part 503 unterstützt.
Einer der größten Kostenfaktoren bei der Erzeugung von Methangas sind die Kosten für den Bau des Biokonverters. In Bezug auf städtische Abwasserbehandlungsanlagen gibt es weltweit viele tausende von Standorten, und deren Baukosten haben viele hundert Tausende und viele hunderte Millionen von Dollar betragen. Die existierenden Behandlungsanlagen, die niemals einen Dollar Gewinn abwerfen werden, sind alles keine Gewinne erzielenden Einrichtungen, da sie von Anfang an nicht vor dem Hintergrund der Gewinnerzielung entwickelt wurden. Sie wurden ausschließlich für die Behandlung von Abwasser zur Sicherheit der Umgebung bzw. zum Zweck des Umweltschutzes gebaut. Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugen die Biokonverter sehr große Methanmengen, was wiederum für das zusätzlich investierte Geld eine Rendite bzw. einen Gewinn abwerfen. Für das erzeugte Gas gibt es zahlreiche unterschiedliche mögliche Einsatzmöglichkeiten. Das Gas kann direkt als Biogas in dem Brenner für die gleichzeitig Dampf- oder Stromerzeugung eingesetzt werden. Das Reinigen bzw. Waschen des Biogases in reines Methangas unter das unter Druck setzen des Gases sowie dessen Pumpen in Speicherbehälter ermöglicht den Vertrieb an die Öffentlichkeit als Ersatz für Naturgas.
Dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wirtschaftlichen und profitablen anaeroben Biokonverter aus sehr großen Gasmengen zu erzeugen, erzeugt durch die geregelte Zufuhr von nicht toxischem, biologisch abbaubarem Zucker oder Stärke als Ausgangsmaterial, wie zum Beispiel Stärken, hohe Zuckerarten (auch bekannt als Polysaccharide), Rübenzucker, Zuckerrübenmelasse, Zuckerrübensirup, Zuckerrübensaft, Zuckerrohrmelasse, Rohrzucker, Zuckerrohrsirup, Zuckerrohrsaft, Maissirup, Glukose, die Stärkegruppe von Getreidekörnern, Hafermehl, Reismehl, Maismehl, Weizenmehl, Kartoffelsaft, Kartoffelpulpe, Sorghum und andere Stoffe und andere ähnliche Stoffe und/oder Kombinationen dieser, die nachstehend als "Ausgangsmaterialien" bezeichnet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, existierende städtische Abwasserbehandlungsanlagen und Biokonverter zu verbessern und eine im Wesentlichen vollständige Bioumwandlung biologisch abbaubarer Komponenten von Biomasse und organischen Abfallstoffen in nutzbares Produktgas bereitzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren jeder existierenden städtischen Abwasserbehandlungsanlage oder ähnlichen Einrichtung hinzuzufügen und diesbezüglich eine Rendite zu erzählen, und zwar in Bezug auf die Kosten für Einrichtungen wie Tanks, Pumpen, Kompressoren und Ausgangsmaterial, die durch das Hinzufügen erforderlich sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, städtische Abwasserbehandlungsanlagen bei der Einhaltung der Anforderungen des neuen Standards 40 C.F.R. Pan 503 Class A für Biofeststoffe durch die Pasteurisierungsfähigkeit des thermophilen Biokonverters zu unterstützen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle elektrischen und Gasanforderungen der Behandlungsanlage zu erzeugen und überschüssige Leistung bzw. Strom und Gas aufzuweisen, um diese Produkte an externe Märkte zu verkaufen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, städtischen Abwasserbehandlungsanlagen zu vermitteln, wie Methangas mit höherem Ertrag und mit höheren Raten durch thermophile und mesophile anaerobe Faulung durch das Hinzufügen von zusätzlichem Ausgangsmaterial, wie zum Beispiel von Zuckerarten, Stärken und Kohlenhydraten, in Biokonvertern in bereits vorhandenen Behandlungsanlagen produziert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Produktion von reinem Brenngas zu lehren, das aus erneuerbaren, nicht toxischen, organischen Materialien hergestellt wird, wie zum Beispiel aus Maissirup, Maismehl, Weizenmehl, Kartoffeln, Zuckerrübensirup, Zuckerrübenmelassen, Zuckerrohrsaft, Sirup und Melassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Produktion von reinem Brenngas zu lehren, das aus erneuerbaren, nicht toxischen, organischen Materialien hergestellt wird, wie zum Beispiel aus Zucker, Stärke und Kohlenhydraten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einsatz von reinigendem Biogas zu lehren, um ein marktgängiges Gasprodukt (d.h. Methan) zu erzeugen, das eingesetzt werden kann, um einen beliebigen existierenden Motor eines Lastkraftwagens, eines Busses, eines Autos oder einen landwirtschaftlichen Motor zu betreiben, der mit Erdgas bzw. Naturgas betrieben wird, und wobei dies bei nur geringen oder ohne jegliche Anpassungen möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ungereinigtes Biogas zu verwenden, indem es in einem gasbefeuerten Brenner verbrannt wird, um den Dampf zu erzeugen, der in der Abwasserbehandlungsanlage benötigt wird für so unterschiedliche Einsatzzwecke wie die Erwärmung von Biokonvertern, Melassetanks und Rohrleitungen; für Dampfturbinen zur Stromerzeugung; für Wärmetauscher für einen Einsatz in Verbindung mit der Anlage und/oder zur Erzeugung und zum Vertrieb von überschüssiger Energie an den lokalen Energieanbieter in der Region.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine große Nachfrage nach Zuckerrübenmelassen und Rohrmelassen oder Zuckerrübensaft, Rohrzuckersaft, Maismehl und Weizenmehl zu erzeugen, um eine höhere Nachfrage zu erzeugen, um es Landwirten zu ermöglichen, mehr Ausgangsmaterial zu produzieren und zu vermarkten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die meisten Abwasserbehandlungsanlagen mithilfe eines zweistufigen Biokonvertersystems zu verbessern, wobei es sich bei den Biokonvertern um einen thermophilen und einen mesophilen Biokonverter handelt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, hohe Feststoffkonzentrationen von Zucker, Stärke und/oder Kohlenhydraten erfolgreich in einem thermophilen oder einem mesophilen anaeroben Biokonverter getrennt von jeder etwaigen Abwasserbehandlungsanlage in Gewinn bringender Weise zu nutze.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit hoch biologisch abbaubaren Feststoffen zu nutzen, wie etwa Zucker oder Zuckerrübenmelassen und Rohrzuckermelassen und Stärken.
Rübenmelassen sind ein Beispiel für die Art von Ausgangsmaterial gemäß der Beschreibung in der vorliegenden Erfindung. Die unten stehende Tabelle zeigt eine kurze Analyse einer Feststoffprobe von Rübenmelassen der BSK Analytical Laboratories, Fresno, Kalifornien, USA:
Tabelle 1: Analyse von Rübenmelassen (Feststoffprobe) (geprüft 1.9.2000)

BOD – Biochemischer Sauerstoffbedarf
COD – Chemischer Sauerstoffbedarf
PQL – Praktische Quantitationsgrenze
DLR – Detektionsgrenze zum Melden: PQL × Verdünnung
H – Außerhalb Haltezeit analysiert

Tabelle 2: Analyse von Zucker (Feststoffprobe) (geprüft 12.1.2001)
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Diese Merkmale und Attribute der Erfindung werden durch aufmerksames Lesen der folgenden Beschreibung der besten Ausführungsart für die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Flussbild für eine kennzeichnende, dem Stand der Technik entsprechende Abwasseranlage;
2 den ersten Abschnitt eines Flussbilds gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine Seitenschnittansicht eines Beispiels des Biokonverters/der Misch/Rezirkulations-Rohrleitung und des Schaumentferners gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 einen zweiten Abschnitt des Flussbilds gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 den Standalone-Abschnitt eines alternativen Flussbilds gemäß der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHEIBUNG DER ERFINDUNG
Die Abbildung aus 1 zeigt ein Flussbild gemäß einen kennzeichnenden, dem Stand der Technik entsprechenden Abwasserbehandlungsanlage.
In der Abbildung aus 2 offenbaren das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen unterirdischen Droptank 10. In dem speziellen vorliegenden Beispiel ist die Oberseite des Tanks 10 plan bzw. auf einer Ebene mit der Erdoberfläche, wobei der Tank aber auch höher oder niedriger liegen kann. Der Droptank 10 befindet sich direkt ausgerichtet mit einer Auffahrt bzw. Einfahrt für eingehenden Verkehr, so dass ein großes Fahrzeug 8 über den Tank 10 fahren kann, um eingehendes Ausgangsmaterial (wie etwa Zuckerrohrmelassen, Zuckerrübenmelassen und/oder jedes andere neue Ausgangsmaterial) nach unten abzuladen, wobei sich das Ausgangsmaterial in Schlammform befindet, so dass es gepumpt werden kann, um die Biokonverter so zu speisen, dass eine hohe Produktion von Methangas erreicht wird. Die Unterseite des Tanks 10 ist so positioniert, dass ein Ende des Tanks 10 niedriger ist als das andere Ende, so dass das Ausgangsmaterial zu dem unteren bzw. niedrigeren Ende des Tanks 10 fließt. Eine Auslassleitung 50 befindet sich an dem unteren Ende des Tanks 10, und ein Ventil 15 ist mit der Leitung 50 verbunden, um die Übertragung von Ausgangsmaterial aus dem Tank 10 zu regeln. Die Übertragung wird erreicht durch Pumpen mit einer Pumpe mit bekannter Viskositätseinstufung 90 in die entsprechenden Schlammaufbewahrungs- und Ausgangsmaterialmischtanks 100 bzw. 105.
In dem Droptank 10 befindet sich eine kleine Leitung bzw. Rohrleitung 30, die über die gesamte Länge des Bodens des Tanks verläuft. Zirkulierendes heißes Wasser wird dauerhaft in der Leitung 30 bereitgestellt, so dass diese als Wärmetauscher fungiert, um das Ausgangsmaterial warm zu halten, so dass es leichter gepumpt werden kann. Die Wärmetauscherleitung 30 liegt auf dem Boden des genannten Droptanks 10 und erstreckt sich entlang der Übertragungsleitung 50 nach außen in die Aufbewahrungs-Ausgangsmaterial- und Mischtanks 100 und 105.
Die Ausgangsmaterialschlamm-Aufbewahrungs- bzw. Speichertanks 100 und 105 aus 2 sind gemäß der antizipierten zuzuführenden Ausgangsmaterialmenge bemessen. Separate zusätzliche Tanks 110 und 120 können als Speicher- und als Mischtanks für Maismehl, Weizenmehl oder andere trockene Stärke/Kohlenhydrate bereitgestellt werden, denen Wasser hinzugefügt werden müsste, um einen Schlamm zu bilden, bevor der Inhalt in den thermophilen Biokonverter 200 gepumpt wird. Die Ausgangsmaterialschlamm-Speichertanks 100 und 105 weisen eine Auslassleitung 55 auf, die über ein Ventil 58 und eine Viskositätspumpe 95 mit einer Messeinrichtung 59 zur Regelung des Flusses verbunden ist. Die Wärmetauscherleitung 30 erstreckt sich entlang der Leitung 55 zu den Biokonvertern, um das Ausgangsmaterial warm und im fließenden Zustand zu halten. Die dem thermophilen Biokonverter 200 zugeführte Ausgangsmaterialmenge wird unter Verwendung der Messeinrichtung 59 so geregelt, dass ein gut ausgewogener Biokonverter vorgesehen wird. Der Biokonverter muss stets bzw. jederzeit einen pH-Wert zwischen etwa 6,7 und etwa 7,8 aufweisen, wobei ein pH-Wert von etwa 7 als optimaler Wert betrachtet wird.
Die Abbildung aus 3 zeigt einen Aufriss des thermophilen Biokonverters 200 und des mesophilen Biokonverters 300. Eine Gasleitung 60 ist am oberen Ende der Kuppel jedes Biokonverters 200 und 300 vorgesehen. In jedem Biokonverter erzeugtes Gas wird an eine von vier Positionen geleitet, wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt ist: zu dem Gaswascher 500, zu der kombinierten Erzeugungseinheit 400, zu dem Dampfkessel 350 oder in letzter Instanz zu der Fackelleitung 325, die stets brennt.
Die Pumpen 91 und 92 und Ventile 41–47 und 48 (in 3 abgebildet) werden so platziert, dass die Pumpen 91 und 92 vom Boden der entsprechenden Biokonverter 200 und 300 saugen. Die Ventile 41 und 42 werden zur Regelung eingesetzt, ob die Eingabe von der Leitung 55 zu dem thermophilen Biokonverter 200 oder zu dem mesophilen Biokonverter 300 fließt. In dem Biokonverter 200 werden die Ventile 44 und 45 eingesetzt, um die Zirkulation von Material in dem Biokonverter unter Verwendung der Pumpe 91 zu regeln. Durch Öffnen des Ventils 45 und 46 wird Material zum Rezirkulieren von dem Boden des Biokonverters gesaugt bzw. angesaugt. Durch Öffnen des Ventils 42 wird frisches bzw. neues Ausgangsmaterial in den Biokonverter 200 eingeführt. Die gleiche Ventilkonfiguration wird in dem mesophilen Biokonverter 300 unter Verwendung der Pumpe 92 und der Ventile 46 und 47 eingesetzt. Durch Öffnen des Ventils 41 wird neues bzw. frisches Ausgangsmaterial in den Biokonverter 300 eingeführt. Das Ventil 48 ermöglicht es, dass der mesophile Biokonverter 300 von dem thermophilen Biokonverter 200 durch die Leitung 67 ansaugt. Durch Einstellen der Ventile 41–48 sind eine Vielzahl verschiedenartiger Materialmischungen möglich.
Die biologisch abbaubaren Feststoffe, die noch nicht digeriert bzw. gefault und in Biogas umgewandelt worden sind, setzen sich auf dem Boden der Biokonverter 200 und 300 ab, wobei sich die Flüssigkeit des Biokonverters und schwere Feststoffe absetzen. Die Feststoffe und Schlamm werden danach von dem Boden jedes Biokonverters durch die Leitung 65 gesaugt, wo zusätzlicher Zucker bzw. zusätzliches Ausgangsmaterial durch die Ventile 41 oder 42 unter Verwendung er Pumpen 91 oder 92 eingeführt werden kann, um das Ausgangsmaterial zu mischen und es zu der Oberseite der Biokonverter zu rezirkulieren. Die Pumpen 91 und 92 geben den flüssigen Schlamm am oberen Ende der Biokonverter 200 und 300 aus.
In jedem Biokonverter ist an dem oberen Ende der Auslassleitung 65 ein trichterförmiger Auslass 70 bereitgestellt, und er weist eine runde Stahlplatte 71 der gleichen Größe auf, wie der Perimeter bzw. die äußere Begrenzung des oberen Endes des Trichters 70. Die Leitung 60 ist oberhalb des Tunnels angebracht, um es zu verhindern, dass etwaige Flüssigkeit in die Gasentlüftungsleitung 60 spritzt. Ferner fungiert die Platte 71 als ein Flüssigkeitsverteiler und eine Schaumpräventionseinrichtung, wobei der Schlamm gleichmäßig über die oberen Enden der Biokonverter 200 und 300 verteilt wird. Die Interaktion zwischen dem Trichter 70 und der Platte 71 stößt die Flüssigkeit/den Schlamm in einer schnellen Rollbewegung aus und verläuft in Wellen über die Oberseite der Flüssigkeit des Biokonverters. Bei diesem Vorgang verteilt sich der Fluss bzw. die Strömung gleichmäßig zu den Außenwänden der Tanks 200 und 300 und verhindert die Bildung von etwaigem Schaum bzw. Schwimmschlamm. Die gleichmäßige Ausbreitung bzw. Verteilung der rezirkulierenden Flüssigkeit/des Schlamms des Biokonverters fördert einen sehr hohen Anteil der aktiv erzeugenden mikrobiellen anaeroben Faulungspopulation, welche Hydrolyse-Fermentationsorganismen umfasst. Ein derartig hoher Anteil von Organismen weist ferner alle verfügbaren Nährstoffe und die organische Zufuhr auf, welche besser in der Lage ist, die biologisch abbaubaren Feststoffe zu digerieren und sie in Biogas umzuwandeln.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines thermophilen anaeroben Biokonverters 200, der einen Biokonverter mit hoher Feststoffzufuhr darstellt. Der Feststoffanteil in dem Biokonverter kann fünfzehn Prozent (15 %) überschreiten, mit fünf Prozent (5 %) als Schlamm, und wobei die restlichen zehn Prozent (10 %) von dem nicht toxischen Ausgangsmaterial von Zuckerrübenmelassen oder dergleichen stammen. Der Schlamm ist ein Faktor, der geregelt wird, wenn die vorliegende Erfindung in Verbindung einem städtischen Abwassersystem für flüssige Abfallstoffe bzw. Schmutzwasser eingesetzt wird. Vorgereinigtes Abwasser, das in die Abwassersysteme eintritt, weist einen Feststoffanteil von ein bis zwei Prozent (1–2 %) auf, wenn es zuerst in die Behandlungsanlage eintritt, wobei der Feststoffanteil nach Stangenrosten, Sandfangbehältern, Kläreinrichtungen und verdicktem sekundären Schlamm deutlich höher wird. Wenn das Wasser zu Beseitigungsbecken übertragen wird, wird der schwere Schlamm zur Behandlung zu dem Biokonverter übertragen. Wenn zum Beispiel zehn Prozent (10 %) des Volumens Zucker als Ausgangsmaterial in der Rezirkulations-/Mischleitung 65 hinzugefügt wird, nimmt die Population von hydrolisierenden anaeroben Fermentationsorganismen der Biokonverter stark zu durch das hinzugefügte Ausgangsmaterial, das innerhalb von Stunden zu 98 % bis 100 % biologisch abbaubar wird aufgrund der erhöhten Anzahl von Anaeroben. Der biologisch abbaubare Klärschlamm wird ferner schneller in Biogas umgewandelt.
In einem Standalone-Biokonverter einer Biogasproduktionsanlage kann der Feststoffanteil in dem Biokonverter fünfzehn Prozent der Feststoffe darstellen, bei denen es sich zu achtundneunzig bis einhundert Prozent um biologisch abbaubare Feststoffe handelt, wie zum Beispiel reinen Zucker (100 % Feststoffe) oder Rohrzuckermelassen, bestehend aus ungefähr siebenundvierzig Prozent Zucker und ungefähr achtundneunzig Prozent Feststoffen.
In einer Standalone-Biogasanlage (ohne Abwasserbehandlung) ist nur wenig vorgereinigtes Abwasser zu entsorgen. Alle Feststoffe werden in Biogas umgewandelt. Verunreinigungsfreies Wasser oder Quellwasser ist nur zur Verdünnung der in den Biokonverter zugeführten Feststoffe erforderlich. Ein Teil der Biokonverterflüssigkeit kann auch dazu eingesetzt werden, um zuerst mit dem Ausgangsmaterial gemischt und danach in die Mischleitung 65 abgemessen zu werden. Die thermophilen Anaerobe in dem hohen Zustand der Faulung weisen eine höhere Anzahl von säurebildenden Bakterien und Methan erzeugende Organismen auf. Wenn die Konzentration des vorgereinigten Abwassersubstrats zunimmt, verbessert sich die Effizient jedes biologischen Prozesses. Mit Zunahme der Konzentration des vorgereinigten Abwassers können ferner die Reaktorbeschickungen innerhalb der Grenzwerte erhöht werden, während eine geeignete hydraulische Haltezeit (HRT) aufrechterhalten wird. Bei einer anaeroben Behandlung bedeutet dies eine größere Methanausgabe je Volumeneinheit des Reaktors je Zeiteinheit.
In der Abbildung aus 3 kann der flüssige Schlamm der thermophilen Biokonverter 200 von der unteren Leitung 67 und in den mesophilen Biokonverter 300 gepumpt werden. Der mesophile Biokonverter wird nicht erhitzt, außer durch das Abwasser bzw. den Abfall des thermophilen Biokonverters 200. In dem mesophilen Biokonverter 300 wird bei niedriger Temperatur das neue Ausgangsmaterial der Rübenmelassen und Zucker, Stärken, etc. mit einer niedrigen Rate zugeführt. Dabei handelt es sich um einen abschließenden Biokonverter, um die Umwandlung etwaiger verbliebener biologisch abbaubarer Feststoffe von dem ersten thermophilen Biokonverer 200 aus 5 der Standalone-Biogasanlage abzuschließen, und zwar unter ausschließlicher Verwendung von Ausgangsmaterialien, bei denen es sich um in hohem Maße biologisch abbaubare Stoffe mit achtundneunzig bis einhundert Prozent Feststoffen handelt, ausschließlich Zucker, Stärke und Kohlenhydrate, und zwar ohne eine Verbindung zu einer städtischen Abwasserbehandlungsanlage.
Die Standalone-Biogasanlage benötigt keine umfassende Ausstattung, wie diese von Abwasserbehandlungsanlagen benötigt wird, wie etwa Kläreinrichtungen, aufgelöste, in Luft schwebende Dickemittel und Bandfilter, da die Standalone- bzw. die unabhängige Biogasanlage ungefähr neunundneunzig Prozent ihres Ausgangsmaterials in Biogas umwandelt. In einer städtischen Abwasserbehandlungsanlage handelt es sich bei dem Biokonverter 300 ebenfalls um einen abschließenden Biokonverter. Der mesophile Biokonverter 300 ist so gestaltet und wird so betrieben wie der thermophile Biokonverter 200. Der letzte Zug Schlamm wird von der unteren Leitung es genannten Biokonverters 300 und zu dem Bandfilter 310 gepumpt, wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt ist.
In der Abbildung aus 4 zeigt ein Flussbild die Biokonverter 200 und 300 aus 3 und den Fluss des gefaulten bzw. digerierten Gases von den Biokonvertern 200 und 300 durch die Leitung 60. Das Gas wird zu einer kombinierten Faulgaserzeugungseinheit 400 übertragen und als eine Energiequelle dieser zur Erzeugung von elektrischer Leistung verwendet. Darüber hinaus wird Dampf oder heißes Wasser, das in der Erzeugungseinheit 400 erzeugt wird, als eine Wärme- bzw. Hitzequelle für die Wärmebehandlung zur Aufrechterhaltung der hohen Temperatur des thermophilen Biokonverters 200 und für erhitztes Wasser in der Leitung 30 verwendet, um die Fluidität des Ausgangsmaterials in dem Droptank 10 und den Speichertanks 100 und 105 aus 2 zu erhalten. Das zirkulierende erwärmte Wasser dient als zirkulierendes Wasser zur Erwärmung der Ausgangsmaterialleitungen 50 und 55.
Die Abbildung aus 4 zeigt ein Flussbild von Gas, das durch die Leitung 60 aus den Biokonvertern 200 und 300 ausgestoßen und zu einem Kessen 350 für Dampf übertragen wird, sofern erforderlich. Das Flussbild zeigt ferner das von den Biokonvertern über die Leitung 60 an einen Gaswascher 500 ausgestoßene Gas, das danach mithilfe einer Hochdruck-Gaseinheit 600 unter Druck gesetzt und in großen, unter Druck stehenden Gastanks 700 vom herkömmlichen Typ der Propantanks gespeichert wird. Das Gas wird von dort zu unter Druck stehenden Behältern bzw. Tanks bzw. Druckbehältern 800 auf Lastkraftwagen übertragen und Endverbrauchern wie etwa Landwirten zugestellt, die das Propan für den Betrieb von Motoren verwenden, die ihre Wasserquellpumpen bzw. Wasserbrunnenpumpen und zahlreiche andere Motoren betreiben. Nach dem das genannte Gas gewaschen worden ist, kann es in jedem Naturgas- bzw. Erdgasfahrzeug eingesetzt werden (d.h. in einem Bus, einem Lastkraftwagen, einem Automobil, einem Gabelstapler, etc.). In der Abbildung aus 4 wird der von dem mesophilen Biokonverter 300 stammende Schlamm zu dem Bandfilter 310 und dem Speichertank 315 für Biofeststoffe geleitet. Die Biofeststoffe werden auf Lastkraftwagen 320 verladen und als Dünger und Kompost vertrieben, da diese Biofeststoffe den neuen Standard 40 C.F.R. Part 503 erfüllen. Das Pasteurisieren wird erreicht, indem die Feststoffe oder der Schlamm 30 Minuten lang oder länger auf 70 °C oder höher gehalten werden.
Die Abbildung aus 5 zeigt ein Flussbild einer Zucker/Stärke-Anlage, die nicht Teil eines Abwassersystems ist, wobei die Biokonverter 200 und 300 aus 3 dargestellt sind. Das ausgefaulte Gas, das aus den Biokonvertern 200 und 300 ausgestoßen wird, wird zu einer kombinierten Faulgas-Erzeugungseinheit 400 übertragen und als eine Energiequelle dieser eingesetzt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Darüber hinaus werden in der Erzeugungseinheit 400 erzeugter Dampf und warmes bzw. heißes Wasser als eine Wärmequelle für die Wärmebehandlung eingesetzt, um die hohe Temperatur des thermophilen Biokonverters 200 zu erhalten, und der erwärmten Warmwasserleitung 30, um die Ausgangsmaterial-Speichertanks 100 und 105 aus 2 zu erhalten. Die Warmwasserleitung 30 dient als zirkulierendes Wasser zur Erwärmung der Leitungen 50 und 55. Die Abbildung aus 5 zeigt ein Flussbild des durch die Leitung 60 von den Biokonvertern 200 und 300 ausgestoßenen Gases, das zu einem Kessel 350 für Dampf übertragen wird, sofern erforderlich. Das Flussbild zeigt ferner das aus den Biokonvertern durch die Leitung 60 zu einem Gaswascher 500 ausgestoßene Gas, das danach mit einer Hochdruck-Gaseinheit 600 unter Druck gesetzt und in großen unter Druck stehenden Gastanks 700 des herkömmlichen Propantanktyps gespeichert wird. Das Gas wird von dort zu unter Druck stehenden Tanks 800 auf Lastkraftwagen übertragen und dem Endverbraucher wie zum Beispiel Landwirten zugestellt, die Propan für den Betrieb von Motoren verwenden, welche ihre Brunnenwasserpumpen betreiben. Nachdem Waschen kann das genannte Gas in jedem Naturgasfahrzeug eingesetzt werden (d.h. in einem Bus, einem Lastkraftwagen, einem Automobil, einem Gabelstapler, etc.). In der Abbildung aus 5 wird die geringe Menge von vorgereinigtem Abwasser, sofern vorhanden, das aus dem mesophilen Biokonverter 300 austritt, durch die Leitung 68 zu einer Bewässerungsleitung übertragen und mit Berieselungswasser gemischt, das danach beim Einsatz auf einem landwirtschaftlichen Hof für Getreide eingesetzt werden kann, oder bei einem Einsatz in einem urbanen Gebiet in einer Abwasserleitung.
Der Temperaturbereich für den thermophilen Biokonverter sollte zwischen etwa 37,8 °C und etwa 97 °C liegen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen etwa 40 °C und 60 °C liegt, und wobei der optimale Bereich zwischen 50 und 55 °C liegt. In ähnlicher Weise sollte der Temperaturbereich für den mesophilen Biokonverter zwischen 21 °C und etwa 40 °C liegen, wobei die optimale Temperatur zwischen etwa 30 und 35 °C liegt. Die bevorzugte hydraulische Haltezeit in dem thermophilen Biokonverter liegt zwischen etwa 1 und etwa 8 Tagen, und wobei die bevorzugte hydraulische Haltezeit in dem mesophilen Biokonverter zwischen etwa 4 und etwa 15 Tagen liegt.
Beispiel eines Standalone-Systems im Einsatz
In Bezug auf die Erzeugung von Biogas gemäß der heute normalen Vorgehensweise stellt die Standalone-Einrichtung einen ziemlich einzigartigen Ansatz dar. Eine Standalone-Einrichtung besteht aus einem oder mehreren Biokonvertern. Es kann sich dabei um ausschließlich einen thermophilen anaeroben Biokonverter oder ausschließlich einen mesophilen anaeroben Biokonverter handeln oder um jeweils einen Biokonverter jedes Typs, einen thermophilen anaeroben Biokonverter und einen mesophilen anaeroben Biokonverter, oder um mehrere Biokonverter, abhängig von dem Design der Einrichtung für elektrische Energie, die gebaut werden soll. Der termophile Temperaturbereich von 50 °C bis 55 °C ist optimal; so dass die thermophile Temperatur bei etwa 50 °C gehalten werden sollte, und wobei die Temperatur für den mesophilen Standalone-Biokonverter bei 35 °C gehalten werden sollte. Viele Studien offenbaren ein eigentümliches Muster: wenn die hydraulische Haltezeit (HRT) verringert und die Beschickungsrate erhöht wird, steigt der prozentuale Anteil der Zerstörung flüchtiger Feststoffe (VS) an.
In dem Standalone-Biokonverter wird die Beschickungsrate von 1–1.000 % über die Abwasser-Beschickungsrate in einer normalen Abwasserbehandlungsanlage erhöht. Die VS-Zerstörung ist um 100 % höher aufgrund der Tatsache, dass das dem Biokonverter zugeführte Ausgangsmaterial bis zu 100 % biologisch abbaubar ist. Der einzige hinzugefügte Wasseranteil dient der Regelung des Niveaus des Biokonverters. Der Schlamm des Biokonverters wird zum Verdünnen des Ausgangsmaterials verwendet, das abgemessen der rezirkulierenden Leitung des Biokonverters zugeführt wird. Dies bedeutet, dass das eingegebene Ausgangsmaterial als Biogas herauskommt. Die HRT dauert mehrere Tage oder Monate an, bis zu dem Punkt, an dem das ganze Ausgangsmaterial in Biogas umgewandelt worden ist. Auswaschen von Zucker oder Mikroorganismen tritt, wenn überhaupt, in sehr geringem Ausmaß auf, und zwar aufgrund der Tatsache, dass nur sehr wenig vorgereinigtes Abwasser entsorgt werden muss.
Umwandlung von Zucker in Biogas/Elektrizität/Geld (Standalone-System)
Die folgenden Annahmen und Berechnungen sind als Beispiel ausschließlich zu Zwecken der Veranschaulichung und ohne den Umfang der anhängigen Ansprüche ausgeführt, um die Nützlichkeit, die Effizienz und die Produktivität des Standalone-Biokonvertersystems zu demonstrieren.
Anpassungen und Definitionen. Für ein Substrat mit hohem Zuckeranteil kann eine Säuretendenz erwartet werden, so dass ein Puffer hinzugefügt werden würde. Bei den meisten biologischen Prozessen bzw. Verfahren verdoppelt sich die Rate der Methanproduktion praktisch für jeden Temperaturanstieg von 18–27 °F (10 – 15 °C). Wenn der pH-Wert sinkt, kann Kalziumkarbonat (CaCO₃, für gewöhnlich als "Kalk" bezeichnet) zugesetzt werden, um den pH-Wert wieder auf den prozentualen Wert zu bringen, der aufrechterhalten werden muss. Ammoniak (NH3) ist in einer zu hohen Konzentration toxisch für den Prozess der Erzeugung von Biogas, wobei geringe Mengen Ammoniak jedoch einen Säurezustand in einem Biokonverter korrigieren. Ein Säure-pH-Wert kann korrigiert werden durch den Einsatz eines Volumenanteils Ammoniak gemischt mit 40 Volumenanteilen warmen Wassers für jeweils 10.000 Volumenanteile des Generatorvolumens. Nährstoffgleichgewichts- und pH-Wert-Anpassungen können in an den Biokonvertersystemen nach Bedarf vorgenommen werden, wie dies im Fach bekannt ist, um dadurch die Erzeugung von Biogas zu optimieren.

C/N: = Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis
NH3: = Ammoniak (das Molekül) ist in zu hoher Konzentration toxisch in Bezug auf den Biogasprozess
NH4+: – Ammoniak – das Ion
BOD: – biochemischer Sauerstoffbedarf
COD: – chemischer Sauerstoffbedarf

Temperatur. Mesophile Bakterien: 21 °C bis 40 °C, wobei 30 °C bis 35 °C optimal sind (70 °F bis 105 °F); thermophile Bakterien: 40 °C bis 60 °C, wobei 50 °C bis 55 °C optimal sind (104 °F bis 140 °F). Hiermit wird festgestellt, dass thermophile Organismen mesophile Temperaturen (20 °C bis 40 °C) überstehen, während mesophile Organismen allgemein thermophile Temperaturen nicht überstehen können.
Annahmen. Analyse von Zucker = 780.000 mg/kg COD, (78 Gewichtsprozent) = 520.000 mg/kg BOD (52 Gewichtsprozent). Verhältnis 1,5 × BOD = COD. Somit entsprechen 0,45 kg (1 Pfund) Zucker 0,35 kg (0,78 Pfund) COD oder 0,236 kg (0,52 Pfund) BOD. 0,45 kg COD reduziert zu Gas in einem Faulungssystem ergeben ungefähr 0,57 m³ (20 Kubikfuß) Biogas.
Biogas entspricht ungefähr zu 70 % Methan. 0,03 m³ (ein Kubikfuß) Methan entspricht 980 BTUs. Ein Faulungssystem kann ungefähr 95–99 % des dem Gas zugeführten COD reduzieren. Es ist angemessen anzunehmen, dass Zucker in einem System um ungefähr 99 % reduziert werden würde.
Berechnungen:
Aus 0,45 kg (1 Pfund) Zucker erzeugtes Biogas = 0,45 (kg) [1 (Pfund Zucker)] × 0,78 (%COD) × 0,98 (% reduziert) × 0,79 kg/m³ (20 Kubikfuß/Pfund) reduziert = 0,433 m³ (15,29 Kubikfuß) Biogas je 0,45 kg (1 Pfund) Zucker, der dem Biokonverter zugeführt wird.
Angenommen wird, dass ein Generator ungefähr 12.500 BTUs benötigt, um ein Kilowatt (kWh) Strom zu erzeugen. Dies ist auf dem Gebiet der Generatoren als "Wärmerate" bekannt, wobei der tatsächliche Wert von dem jeweils ausgewählten Generator abhängig ist. Erzeugte BTUs = 0,433 m³ [15,29 (Kubikfuß Biogas)] × 0,7 (% Methan) × 980 BTUs/Kubikfuß = 10.489 erzeugte kWh = 10.704,7/12.500 = 0,84 kWh je 0,45 kg (= 1 Pfund) dem Biokonverter zugeführter Zucker.
Wirtschaftlichkeit: Die Stromerzeugungsanlagen in Kalifornien verkaufen Strom zu Spitzenzeiten zu Preisen zwischen 0,10 US-Dollar und 1,10 US-Dollar pro kWh. Bei einer Kilowattstunde mit einem Abrechnungspreis von 10 Cent, ist ein Pfund Zucker, reduziert zu Gas, 10 × 0,84 bzw. 8,4 Cent bzw. 92,4 Cent je Pfund Zucker wert, wenn der Preis bei 1,10 US-Dollar pro kWh liegt oder darüber, abhängig von Angebot und Nachfrage für Strom. Der US-Bundesstaat Kalifornien zahlte in letzter Zeit bis zu 3,0 US-Dollar pro kWh.
Schlussfolgerungen/Vorteile: Die herausragenden Qualitäten des Standalone-Biokonverters lauten wie folgt:

A. Erzeugung von erneuerbarer Elektrizität
B. Konkurrenzfähige Kosten
C. Nicht-fossiler Brennstoff
D. Zuverlässigkeit
E. Verteilbarkeit
F. Energiequalität
G. Sicherheit
H. Energiefremde Vorteile (Landwirtschaft und Zuckerindustrie)
I. Innovation
J. Lagerfähigkeit
K. Verfügbarkeit

Die Standalone-Einrichtung weist in einem deregulierten Strommarkt konkurrenzfähige Kosten auf, während dies für die meisten Einrichtungen für erneuerbare Energien nicht gilt.
Der Einsatz von Zucker, Stärke und Kohlenhydraten in der Standaloone-Einrichtung für die Erzeugung von erneuerbarem Strom bietet das gleiche Maß der Zuverlässigkeit und Verteilbarkeit wie bereits bestehende Systeme zur Erzeugung fossiler Brennstoffe. Zucker, Stärke und Kohlenhydrate können sicherer und leichter gelagert werden und sind in Bezug auf die Umweltfreundlichkeit deutlich sicherer als die Lagerung fossiler Brennstoffe.
Eines der wichtigsten Attribute des Standalone-Biokonverters ist die Tatsache, dass das Biogas je nach Bedarf ebenso verfügbar ist, wie dies für fossile Brennstoffe gilt. Wenn in einer Region eine hohe Nachfrage nach Strom für einen bestimmten Zeitraum gegeben ist, wie zum Beispiel zwischen 13.00 Uhr und 17.00 Uhr an einem Dienstagnachmittag, in der es eine existierende Standalone-Einrichtung gibt, so kann die Standalone-Anlage ihre Kapazität erhöhen, um diesem Nachfragezeitraum gerecht zu werden. Der Standalone-Biokonverter kann mit niedriger Kapazität zwischen 10 % und 15 % bis 11.30 Uhr am Dienstagvormittag betrieben werden. Durch Erhöhung des Zuckerausgangsmaterials stünde dann die gewünschte höhere Biogasmenge zur Verfügung, um die Nachfrage ab 13.00 Uhr zu befriedigen. Dieser Produktionsanstieg kann zwischen 20 % und 100 % der Kapazität des Standalone-Biokonverters innerhalb von 90 Minuten liegen. Dies unterstreicht die Tatsache, das ein Standalone-Biokonverter eine zuverlässige Strommenge erzeugt, was es ermöglicht, dass die Systeme effektiv und effizient Spitzenleistung bereitstellen, die wirtschaftlich der von Stromgeneratoren entspricht, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden.
Die unabhängigen, nicht toxischen Biokonverter für erneuerbare Energien weisen die Fähigkeit auf, in bestehende Umgebungen oder Strukturen integriert werden zu können, und sie weisen weit reichende, nicht auf Energie bezogene Vorteile auf, darunter die Erschließung von neuen landwirtschaftlichen Nutzflächen und die Schaffung neuer Arbeitsplätze in der Zuckerindustrie/Landwirtschaft.
Der Standalone-Biokonverter verwendet nur ein geregeltes, abgemessenes, nicht toxisches Ausgangsmaterial, wie etwa Zucker, Stärke oder ein Kohlenhydrat. Im Gegensatz zu Abwasserbehandlungsanlagen, die einen Abfall- bzw. Abwasserstrom empfangen, der versteckte Antibiotika, Desinfektionsmittel und Reinigungsmittel aufweist und auch zwischen nicht regelbaren hohen und niedrigen Volumenspeisungen variiert, wird der Standalone-Biokonverter streng geregelt und arbeitet gemäß den Befehlen einer Bedienungsperson.
Beispiel für eine Abwasserbehandlungsanlage
Die folgenden Annahmen und Berechnungen sind als Beispiel ausschließlich zu Zwecken der Veranschaulichung und ohne den Umfang der anhängigen Ansprüche ausgeführt, um die Nützlichkeit, die Effizienz und die Produktivität des Biokonvertersystems gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Kopplung mit einer existierenden Abwasserbehandlungsanlage zu demonstrieren. Wenn das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Abwasserbehandlungsanlage eingesetzt werden, so verbessert dies die Umwandlung von biologisch abbaubaren Feststoffen um zusätzliche 25 % gegenüber der normalen Umwandlung von etwa 50 %. Die Umwandlungsrate von Feststoffen in Biogas bedeutet, dass 25 % weniger Feststoffe behandelt werden müssen und mehr Biogas erzeugt wird, um wiederum mehr Strom zu erzeugen.
Das Verfahren ist das gleiche wie das Verfahren für den Standalone-Biokonverter, wobei das Ausgangsmaterial Zucker jederzeit durch eine Messeinrichtung geregelt wird, und wobei die erforderliche Ausgangsmaterialmenge zur Erzeugung der gewünschten Biogasmenge für den Betrieb eines Gas betriebenen Generators zu einem bestimmten Zeitpunkt zugeführt wird. Die Abwasserbehandlungsanlage weist normalerweise in dem eingehenden Abfall bzw. Abwasser ausreichend Nährstoffe auf, so dass keine zusätzlichen Nährstoffe erforderlich sind. Der Faulungsprozess würde einen pH-Wert von über 7 aufrechterhalten.
Die Investitionsrendite beim Einsatz von Zucker/Ausgangsmaterialien erhöht sich bei einem Einsatz in Verbindung mit einer Abwasserbehandlungsanlage. Die Umwandlung von biologisch abbaubarem Schlamm steigt auf 75 %, was einem Anstieg um 50 % gegenüber der normalen Umwandlungsmenge von nur der Hälfte des biologisch abbaubaren Schlamms der meisten Abwasserbehandlungsanlagen entspricht, und zwar aus den folgenden Gründen. Die Abwassereinrichtung bzw. Abwasseranlage erhöht die Umwandlung ihrer biologisch abbaubaren Feststoffe in Biogas um etwa 50 %, indem den existierenden Biokonvertern Zucker, Stärke oder Kohlenhydrate zugesetzt werden, um eine deutlich höhere Population von Mikroorganismen zu erzeugen, wodurch die Gasproduktion erhöht und die HRT reduziert wird.
Zum Beispiel liefert ein thermophiler Biokonverter von 3.785 Hektolitern (100.000 Gallonen) unter Verwendung des gleichen Ausgangsmaterialverhältnisses (Zucker) Ergebnisse, die mit einem Gewinn von 378,00 US-Dollar täglich beginnen. Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass die Temperatur des Biokonverters auf 70 °C erhöht werden kann, und dass alle Pathogene pasteurisiert werden können, um Biofeststoffe zu erzeugen, die sicher auf Land ausgebreitet werden können und als Dünger von Wert sind.
Die Abwasserbehandlungsanlage auf der Basis eines Tanks von 3.785 Hektolitern (100.000 Gallonen) mit 1 % Feststoffen entspricht 37,85 Hektolitern (1.000 Gallonen) Feststoffen, von denen 50 % nie in Gas umgewandelt werden, aufgrund der hydraulischen Haltezeit von etwa 24 Tagen. Durch den Zusatz von Zucker wird eine hohe Konzentration von Mikroorganismen erzeugt, die nicht nur den leicht faulbaren Zucker umwandeln würde, sondern auch zusätzliche 25 % der biologisch abbaubaren Feststoffe verbrauchen würde, die in dem Abfallstrom enthalten sind, d.h. Feststoffe, die normalerweise nicht in Biogas umgewandelt werden würden. Die meisten existierenden Biokonverter weisen heute eine Kapazität von ungefähr 378.500 bis 1.135.500 Hektolitern (1 bis 3 Millionen Gallonen) auf. Da eine Abwasserbehandlungsanlage bereits Biokonverter aufweist, müssten nur die Vorrichtung und das Verfahren sowie zusätzliche Rohrleitungen und Tanks zum Speichern von Ausgangsmaterialien (d.h. Zucker, Stärke) des Standalone-Biokonverters hinzugefügt werden, um eine sehr nützliche Einrichtung zur Erzeugung von Biogas zu erzeugen.
Einige wenige der Einsparungen sind unter anderem ein Anstieg der Gasproduktion, weniger Biofeststoffe, Biofeststoffe, die frei von Pathogenen sind, niedrigere Kosten für die Behandlung von Biofeststoffen, und dass Biokonverter mit geringerer Kapazität und in kleinerer Anzahl erforderlich sind, um die gleiche Verarbeitung sowie eine kürzere hydraulische Haltezeit zu erreichen.

Claims

Verfahren zur Umwandlung von biologisch abbaubarem organischem Material in ein Produktgas, wobei im Wesentlichen keine Rückstände verbleiben, wobei das Verfahren folgendes umfasst: a) das Einführen eines abgemessenen Schlammstroms, der eine Mischung aus nicht verunreinigtem Wasser und einem nicht toxischen, biologisch abbaubaren Ausgangsmaterial umfasst, das mehr als zehn Prozent biologisch abbaubare Feststoffe aufweist, wobei mindestens 95 Prozent der Feststoffe in Gas umgewandelt werden, in einen vollständig gemischten thermophilen, anaeroben Biokonverter (200) auf einer thermophilen Reaktionstemperatur, wobei der genannte Biokonverter eine aktive produzierende mikrobielle, anaerobe Digerierpopulation aufweist, welche Hydrolyse-Fermentationsorganismen und methanogene Organismen, aufgelöst in Fluide, umfasst, wobei das genannte biologisch abbaubare Ausgangsmaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, die folgendes umfasst: Glukose, Rübenzucker, Zuckerrübenmelasse, Zuckerrübensirup, Zuckerrübensaft, Zuckerrohrmelasse, Rohrzucker, Zuckerrohrsirup, Zuckerrohrsaft, Maissirup, Getreidekorn, Hafermehl, Reismehl, Maismehl, Weizenmehl, Kartoffelsaft, Kartoffelpulpe, Hirse und Kombinationen dieser; b) das Erzeugen von Biogas durch anaerobes Digerieren der genannten Mischung in dem genannten thermophilen, anaeroben Biokonverter auf einer thermophilen Reaktionstemperatur; c) das Entziehen des genannten Biogases aus einem Luftraum des genannten thermophilen Biokonverters; d) das Übertragen eines Teils der genannten Mischung von dem genannten thermophilen Biokonverter (200) in einen vollständig gemischten methanogenen Biokonverter (300) auf einer methanogenen Reaktionstemperatur, wobei der genannte Biokonverter eine aktive produzierende mikrobielle, anaerobe Digerierpopulation aufweist, welche Hydrolyse-Fermentationsorganismen und methanogene Organismen, aufgelöst in Fluide, umfasst; e) das Erzeugen von Biogas durch anaerobes Digerieren der genannten Mischung in dem genannten methanogenen anaeroben Biokonverter auf einer methanogenen Reaktionstemperatur; f) das Entziehen des genannten Biogases aus einem Luftraum des genannten methanogenen Biokonverters; und g) das Verwenden des genannten Biogases.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thermophile Reaktionstemperatur im Bereich zwischen 46 °C und 76 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die thermophile Reaktionstemperatur etwa 56 °C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die methanogene Reaktionstemperatur im Bereich zwischen 25 °C und 45 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die methanogene Reaktionstemperatur im etwa 35 °C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses den zusätzlichen Schritt des Betreibens einer externen Pumpe (91, 92) aufweist, die an jedem Biokonverter (200, 300) bereitgestellt ist, um Fluid von dem Boden jedes Biokonverters anzusaugen und zu einem trichterförmigen Auslass (70) und einer Platte (71) oben in der Mitte jedes Biokonverters, um die Flüssigkeit gleichmäßig über die Oberseite jedes Biokonverters zu verteilen und um die Schaumbildung an der Oberseite des Fluids in jedem Biokonverter zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Ventil (58) bereitgestellt ist, um zusätzliches nicht toxisches, biologisch abbaubares Ausgangsmaterial in die Mischleitung einzufügen, und wobei es den zusätzlichen Schritt des Mischens des genannten zusätzlichen Ausgangsmaterials mit den Fluids in den oberen Abschnitten jedes der genannten Biokonverter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die hydraulische Verweilzeit in dem thermophilen Biokonverter zwischen einem und acht Tagen liegt, und wobei die hydraulische Verweilzeit in dem methanogenen Biokonverter zwischen vier und 15 Tagen liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei dieses den zusätzlichen Schritt des Übertragens des genannten nicht toxischen, biologisch abbaubaren Ausgangsmaterials aus einem Abfalltank (10) in eine Mehrzahl von Aufbewahrungstanks (100, 105) unter Verwendung einer erwärmten Übertragungsleitung (50) aufweist, wobei die genannte Leitung darin eine Mehrzahl von Ventilen aufweist und eine Viskositätspumpe (90).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei dieses den zusätzlichen Schritt des Messens des genannten nicht toxischen, biologisch abbaubaren Ausgangsmaterials aus den genannten Aufbewahrungstanks (100, 105) durch eine Mischleitung (55) in den genannten thermophilen, anaeroben Biokonverter (200) unter Verwendung einer Viskositätspumpe (95) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das genannte Ausgangsmaterial variabel gemessen wird, wie dies erforderlich ist, um die Produktion von Biogas zu jedem entsprechenden Zeitpunkt zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Großteil des erzeugten Biogases Methan ist, und wobei das genannte Methan auf eine Art und Weise genutzt wird, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: in einem Brenner (350) zum Erzeugen von Dampf, in einer Brennkraftmaschine, in einer Energie erzeugenden Turbine (400), in mindestens einem Gasaufbewahrungstank zur späteren Verwendung und in einem Gasbrenner.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erzeugte Biogas für die Dampferzeugung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erzeugte Biogas zur Erwärmung des thermophilen Biokonverters verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erzeugte Biogas zum Betreiben eines mit Gas betriebenen Generators verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei es sich bei dem Ausgangsmaterial um Melasse handelt, und wobei mehrere Dampfwärmetauscher eingesetzt werden, um die Melasse vorzuerwärmen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei dieses den zusätzlichen Schritts des Einsetzens von Dampf zur Erzeugung von Elektrizität in einer Dampfturbine aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Menge des in die genannten Biokonverter eingefügten Ausgangsmaterials variabel geregelt wird, unter Berücksichtigung der Anforderungen für die Erzeugung von Gas, das einer Stromerzeugungseinrichtung zugeführt werden soll.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Ausgangsmaterial mindestens 50 Prozent biologisch abbaubare Feststoffe aufweist, wobei mindestens 95 Prozent der genannten Feststoffe in Gas umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Ausgangsmaterial mindestens 75 Prozent biologisch abbaubare Feststoffe aufweist, wobei mindestens 95 Prozent der genannten Feststoffe in Gas umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Ausgangsmaterial mindestens 90 Prozent biologisch abbaubare Feststoffe aufweist, wobei mindestens 95 Prozent der genannten Feststoffe in Gas umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Ausgangsmaterial im Wesentlichen vollständig biologisch abbaubar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Ablaufstrom von einer Abwasserbehandlungseinrichtung mit dem genannten Schlamm gemischt wird, und wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt des Haltens der genannten Mischung über mindestens 30 Minuten auf einer Temperatur von mindestens 70 °C in dem thermophilen Biokonverter zum Pasteurisieren der genannten Mischung aufweist.
Vorrichtung zur Umwandlung von biologisch abbaubarem organischem Material in ein Produktgas, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: a) einen erwärmten Abfalltank (10) für die Aufnahme des genannten biologisch abbaubaren Materials; b) eine erwärmte Leitung (50) in Übertragungsverbindung mit dem genannten Abfalltank, mit einer Pumpe (90) darin zur Übertragung des genannten Materials an mindestens einen Aufbewahrungstank (100, 105); c) einen thermophilen, anaeroben Biokonverter (200), der eine Population von hydrolisierenden, anaeroben Fermentationsorganismen auf einer thermophilen Temperatur aufweist, in Übertragungsverbindung mit dem genannten mindestens einen Aufbewahrungstank; d) einen methanogenen anaeroben Biokonverter (300), der eine zweite Population von hydrolisierenden, anaeroben Fermentationsorganismen auf einer mesophilen Temperatur aufweist, in Reihenübertragungsverbindung mit dem genannten thermophilen, anaeroben Biokonverter; e) eine Mehrzahl von Leitungen (55, 65, 69) und Pumpen (91, 92) zum Einführen und Rezirkulieren von Ausgangsmaterial in die und zwischen den genannten Biokonvertern (91, 92); f) eine konische Öffnung (70) und eine Spritzplatte (71) in jedem Biokonverter in dessen oberen Abschnitt, um den Schaum zu reduzieren und das rezirkulierte Fluid in dem entsprechenden Biokonverter zu verteilen; und g) Entfernungsleitungen (60), die mit den Oberseiten jedes der genannten Biokonverter verbunden sind, um Biogas aus den genannten Biokonvertern zu entfernen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei ein Gaswascher (600) in Übertragungsverbindung mit den genannten Entfernungsleitungen bereitgestellt ist, wobei ein Gaskomprossor (600) in Übertragungsverbindung mit dem genannten Wascher bereitgestellt ist, und wobei mindestens ein Gasaufbewahrungstank (700) in Übertragungsverbindung mit dem genannten Kompressor bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei ein Dampferzeugungskessel (350) in Übertragungsverbindung mit den genannten Entfernungsleitungen bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei es sich bei dem biologisch abbaubaren Material um eine Mischung aus Wasser und eines Ausgangsmaterials handelt , das aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Glukose, Rübenzucker, Zuckerrübenmelasse, Zuckerrübensirup, Zuckerrübensaft, Zuckerrohrmelasse, Rohrzucker, Zuckerrohrsirup, Zuckerrohrsaft, Maissirup, Getreidekorn, Hafermehl, Reismehl, Maismehl, Weizenmehl, Kartoffelsaft, Kartoffelpulpe, Hirse und Kombinationen dieser Stoffe.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das genannte Ausgangsmaterial dem genannten Abfalltank (10) zugeführt, unter Verwendung einer Viskositätspumpe (90) zu mindestens einem Aufbewahrungstank (100, 105) gepumpt und danach variabel in geregelten Mengen in den thermophilen Biokonverter (200) abgemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei das genannte Ausgangsmaterial variabel in geregelten Mengen in den methanogenen Biokonverter (300) abgemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei das genannte Ausgangsmaterial variabel abgemessen wird, wie dies erforderlich ist, um die Produktion von Biogas innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitraums für eine Spitzennachfrage der Elektrizitätserzeugung zu maximieren.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei ein Dampfwärmetauscher eingesetzt wird, um den thermophilen Biokonverter zu erwärmen und um das Ausgangsmaterial zum leichteren Pumpen vorzuerwärmen.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei ein Dampfwärmetauscher zum Vorerwärmen des Ausgangsmaterials eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Biokonverer (200, 300) in einer existierenden Abwasserbehandlungsanlage integriert sind und die Umwandlung von biologisch abbaubaren Feststoffen in Abwasser in Biogas verbessern.
Vorrichtung zur Umwandlung von biologisch abbaubarem organischem Material in ein Produktgas, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: a) einen erwärmten Abfalltank (10) für die Aufnahme des genannten biologisch abbaubaren Materials; b) einen Aufbewahrungstank (100, 105), der sich in Übertragungsverbindung mit dem genannten Abfalltank befindet; c) eine Viskositätspumpe (90) zur Übertragung des genannten Materials aus dem genannten Abfalltank in den genannten Aufbewahrungstank; d) einen Mischtank (110) zum Hinzufügen von Wasser zu dem genannten Material, um einen Schlamm zu bilden; e) ein regelbares Ventil zur variablen Regelung der Schlammmenge, die aus dem genannten Mischtank zugeführt wird; f) einen thermophilen, anaeroben Biokonverer (200), der eine Population von hydrolisierenden, anaeroben Fermentationsorganismen aufweist, mit einem Eingang, der sich in Übertragungsverbindung mit dem genannten Mischtank befindet, wobei der genannte Biokonverter einen ersten Ausgang für Gas und einen zweiten Ausgang für gasfremde Stoffe aufweist; und g) einen methanogenen anaeroben Biokonverter (300), der eine zweite Population von hydrolisierenden, anaeroben Fermentationsorganismen aufweist, mit einem ersten Eingang, der sich in Übertragungsverbindung mit dem genannten Mischtank befindet, einem zweiten Eingang, der sich in Übertragungsverbindung mit dem genannten gasfremden Ausgang des genannten thermophilen Biokonverters befindet, einem ersten Gasausgang und einem zweiten Ausgang für gasfremde Stoffe.