DE8326116U1

DE8326116U1 - Vorrichtung zur anaeroben behandlung von substraten mit organischen stoffen zur erzeugung von biogas

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Publication number: DE8326116U1
Application number: DE19838326116U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-09-10
Filing date: 1983-09-10
Publication date: 1984-05-24

Description

,Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Substraten mit organischen Stoffen zur Erzeugung von Biogas "/

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von organischen Substraten zur Erzeugung von Biogas gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Seit der Energiekrise 1975 wurde ein Umdenkprozeß in der Industrie und Landwirtschaft eingeleitet, da die Energieversorgung für viele Betriebe zu einer Rentabilitätsfrage wurde.

Dur£h neue Technologien wie Wärmerückgewinnung, Energieverbund, Mikroelektronik, Einsatz von wärmedämmenden Baustoffen usw. konnten bereits substantielle Energien eingespart werden, Als alternative Energiequellen wie Erd- und Sonnenwärme stehen insbesondere für die hier beschriebene Erfindung Abfallprodukte in landwirtschaftlichen und industriellen Betrieben zur Diskussion. Diese Abfallprodukte fallen als sogenannte Biosubstrate in Form von flüssigen Exkrementen von Tieren - auch Gülle genannt - in land-

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wirtschaftlichen Betrieben, landwirtschaftlichen Brennereien und Schlachthöfen an, wobei die pflanzlichen Substrate und ; Biomassen als Schlempe bzw. Abwasser mit organisch hoher

Schmutzfracht sowie als Gemüseabfälle in gewerblichen Brennereien, Konserven- und Lebensmittelfabriken anfallen.

In den Betrieben, wo der Flüssigmist von Tieren bzw. Abwasser mit einem hohen Anteil an organischer Schinutzfracht zur Verfügung steht, ist die Möglichkeit gegeben, eine Biogasanlage zu erstellen, um einen entsprechenden Anteil zur Verbrauchsdeckung von Heizöl, Erdgas und elektrischer Energie zu leisten.

Es handelt sich hier um eine Bio-Energieanlage, also eine Anlage, die Methangas aus den vorgenannten Substra-' ten erzeugt, das sowohl in einem Wasser-oder Dampfkessel als

auch in einem Ottomotor, der einen Drehstromgenerator an-% treibt, verbrannt werden kann.

II Es ist bekannt, daß Bakterien abbaufähige organische

Substanzen, also Kohlehydrate, Proteine und Fette sowohl

unter SauerstoffabschluB als auch bei Vorhandensein von

;; Sauerstoff zerlegen bzw. abbauen können. Vorliegend handelt

es sich um einen Prozeß, der bei völliger Dunkelheit und SauerstoffabschluB in einem Substrat stattfindet; man spricht hier auch von einer anaeroben Fermentation.

Es steht der mesophile Temperaturbereich 32 - 38⁰C

zur Diskussion, wobei der thermophile Temperaturbereich 53 - 58°C vorwiegend bei Substraten mit gefährlichen pathogenen Keimen infrage kommt. An der Biomethanisierung

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der organischen Substanzen, die in vier Phasen abläuft, sind nach den derzeitigen Erkenntnissen drei verschiedene Bakteriengruppen beteiligt. In der hydrolytischen und säurebildenden Prozeßphase werden von den fakultativen anaeroben Bakterien mit fermentativer bzw. acetogener Charakteristik die organisch hochmolekularen Verbundungen mit Hilfe von Enzymen zu niedermolekularen Verbindungen wie Aminosäuren, Glycerin und Fettsäuren hydrolysiert, wobei in einer weiteren Phase aus den Hydrolyseprodukten Essig-, Butter-, Propion-, Ameisen- und Milchsäure sowie Ethanol, Wasserstoff, Kohlendioxyd, Ammoniak und Schwefelwasserstoff produziert werden.

Die Zusammensetzung dieser Stoffwechselprodukte wird allerdings in entsprechendem Maße durch den Wasserstoff partialdruck beeinflußt. Es werden bei hohem Wasserstoffpartialdruck mehr Propion- und Buttersäure und weniger Essigsäure gebildet, da ein hoher Kasserstoffpartialdruck als Inhibitor bei der Bildung von Essigsäure wirkt.

Die essigsäure- und wasserstoffbildende Prozeßphase wird auch von fakultativ anaeroben Bakterienstämmen, jedoch mit acetogener Charakteristik, übernommen, wobei von dieser Gruppe die langkettigen Fettsäuren, organischen Säuren, Alkohole und Aromaten zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxyd abgebaut werden.

Das Ausgangsprodukt für die Methanbakterien - es handelt sich hier um die obligaten Anaerobier-, welche eine methanogene Charakteristik aufweisen, sind in erster Linie Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxyd, die in letzter

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Instanz zu Methangas (CH₄) und Kohlendioxyd (CO₂) umgewandelt werden. Es ist hierbei interessant, daß die

methanogenen Bakterien in einer räumlich engen Symbiose mit den acetogenen Bakterien leben, ph-Wertempfindlich sind und keine schwankenden Substrattemperaturen vertragen. Darüber hinaus ist diese Lebensgemeinschaft besonders empfindlich gegen einwirkende Scherkräfte, z.B. durch Rührwerke. Auch die Anwesenheit von gelöstem Sauerstofffist für die Methanbakterien teilweise tödlich.

Da der H₂ - Partialdruck im Substrat niedrig sein soll, müssen Kopplungsreaktionen stattfinden, wie z.B.

4 H + 4 NAD(P)K-* 4 NAD(P) + 4 H₂ + 18,4 E 4 H₂+ CO₂—» CH₄ + 2 H₂O - 33,2 E

Gesamtreaktion:

4 H ♦ 4 NAD(P)H + CO₃—> 4 NAD(P) + CH₄ + 2 H₂O - 14,8 E

NAD = Nicotinamidadenindinucleotid E = Freie Energie (KJ/Mol).

Ein besonderer Aspekt für die Reduzierung des Wasserstoffpartialdruckes sind die in den Methanbakterien gefundenen Coenzyme, welche mittels eines ^c*^>ein.^i'smotischen Stoffwechselprozesses für den Abbau des H₂-Druckes sorgen.

Da es sich bei den ersten Prozeßphasen um einen sogenannten sauren biologischen Prozeßablauf handelt und die Methanbakterien ihre LebenstMtigkeit nur in einem schwach alkalischen Medium entfalten können, ist es daher von

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Bedeutung, daß die einzelnen Prozeßphasen in einem sogenannten Gleichgewicht stehen. Sollten sich nämlich die organischen Säuren anhäufen» was auch an dem -gemessenen ph-Wert festgestellt werden kann, so ist dies ein Zeichen dafür, daß aus irgendeinem Grund die Abbautätigkeit der säureproduzierenden Bakterien die "der säureverbrauchenden Bakterien überwiegt und damit das Gleichgewicht gestört ist, d.h., daß die Methanbakterien gelähmt werden und damit der Faulprozeß umkippt, soweit nicht entsprechende Gegenmaßnahmen zur Unterstützung der letzten Prozeßphase getroffen werden.

Sind die organischen Stoffe im Substrat mit einem entspre dienden Abbaugrad biomethanisiert, ist die technische Faulgrenze erreicht, d.h., daß das Substrat abgeschlämmt bzw. ausgetragen wird. Das abgeschlämmte Substrat - auch Faulschlamm genannt - ist fast geruchlos, weitgehend hygienisiert, hat einen entsprechenden Nährstoffreichtum und kann als Dünger weiter verwendet werden.

Nach den bisherigen Gesichtspunkten hat sich für den Bau von Biogasanlagen in erster Linie der sogenannte Durchlaufreaktor - auch Anflow-Reaktor genannt - herauskristallisiert. Dieser Reaktor arbeitet einstufig, wobei das Substrat durchgemischt wird. In diesem Reaktor laufen alle vier geschilderten bio-technologischen Phasen in einem Raum unter gleichen physikalischen Bedingungen ab. Es ist verständlich, daß bei diesem Verfahren keine optimalen Lebensbedingungen

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für die einzelnen Bakterienstämme vorhanden sind. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß der Reaktor sauer wird, d.h., der ph-Wert sinkt auf einen für die Methanbakterien nicht mehr zulässigen Wert unter 7 herab, da eine Überproduktion an Säuren vorliegt.

Auch durch den Eintrag an toxischen Stoffen wie Sulfonamide, Kupfer-, Zink - und Chromverbindungen usw. sowie des Sauerstoff inhibitors wird die Stof fwechselpi^uktion der entsprechenden Abbauphase gestört. Eine weitere Störung

z.B.

der Stoffwechselproäuktion kann" bei einem biologischen Abbau von Schlempe mit hohen Sulfatanteilen auftreten, da diese nach der Reduktion zu Schwefelwasserstoff den Prozeßablauf wesentlich beeinträchtigen.

Bei einer Abtötung oder Lähmung von Methanbakterien, also einer Störung der acetogenen-methanogenen Phase, wird weniger Wasserstoff abgebaut, d.h., der H₂- Partial druck steigt. Da dieser als Inhibitor für die Essigsäurebakterien wirkt, muß damit gerechnet werden, daß die StoffWechselproduktion dieser Bakterien zum Erliegen kommt.

Bei einem biologischen Abbau von Schlempe muß mit einem Schwefelwasserstoffgehalt des Biogases von ca. 2,5% gerechnet werden, das bedeutet, daß dieses Brenngas in einem Ottomotor ohne vorherige Elimination des H₂S-Anteiles nicht verbrannt werden kann.

Ein weiterer Nachteil besteht darxn, daß bei relativ großen Verweilzeiten des Substrates nur wirtschaft-

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Iiehe Gasausbeuten von etwa 1 - 2 m /d Biogas pro m Faulraum bzw. niedrige Abbaugrade der organischen Substanzen möglich sind.

Der Heizwert des Biogases betrügt bei einem Einstufenreaktor, der nach neuzeitlichen Verfahrenstechniken normale Substrate anaerob behandelt, η KWh/nu, bei einer Gas zusammensetzung von 70% Methan (CH₄), 29,?% 'Kohlendioxyd (CO₂) und 0,3% Schwefelwasserstoff (H₂S).

Aufgrund der vorgenannten Erkenntnisse ist schon vorgeschlagen worden, eine biotechno'.ogische Trennung in die Hydrolyse- und Säurephase sowie in die Methanbildungsphase vorzusehen, um für die entsprechenden Bakterienkulturen optimale Lebensbedingungen zu schaffen, vgl. DB-OS 31 02 739.

Es ist dabei von Bedeutung, daß die Säure- bzw. Methanbildungsphase nicht in zwei getrennt aufgestellten Reaktoren abläuft, da bei dieser Systemlösung die Bildung von Essigsäure durch den H^-Partialdruck beeinflußt wird, sondern daß die Hydrolyse- und Säurephase sich in einem kombinierten Reaktor abspielt. In diesem Zweistufen-Reaktor wird durch die anwesenden Methanbakterien der Wasserstoffpartialdruck im Säurereaktor entsprechend reduziert, wobei gleichzeitig mehr Essigsäure gebildet wird.

Die Reduzierung des Hj-Partialdruckes findet bei dieser Verfahrenstechnik in Form einer Kopplungsreaktion - die auch als Stoffaustausch bezeichnet werden kann - durch Methanbakterien und den universellen Wasserstoffmittler NAD statt.

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Ein weiterer konstruktiver Punkt ist die Aufteilung der Fermentationsräume I und II, also der Säure- bzw. Methanbildungsphase mit einem Volumenverhältnis von 1 :

Es ist bekannt, daß in einer Versäuerungsstufe, je nach Milieubedingungen des Substrate, erheblich mehr Bakterien - bedingt durch das schnelle Wachstum der fakultativen Anaerobier - vorhanden sind, als in einem Methanreaktor. Durch diese Erkenntnis liegt ein unterschiedliches Produktionsverhältnis zwischen Säure- und Methanbakterien vor bzw. ist eine Raumbelastung des Hydrolyse- und Versäuerungs-Reaktors um das zehn- bis hundertfache eines Einstufenreaktors möglich, ohne daß eine wesentliche Minderung der erzeugten Stoffwechselprodukte bzw. Abbaucrade in der Stufe I auftritt.

Auch die Zusammensetzung und Verteilung der produzierten Stoffwechselprodukte wie Essig-, Propion-,Butter-*, Mmiuen- und Milchsäure sowie Ethanol kann in der Fennentationsstufe I

bei der roesophilen Temperatur von 3O ή. .im ph^Vertbereich von ·€ unter Anwendung des geschilderten Verfahrens sowie der fixierten Raumaufteilung und damit Raumbelastung der Hydrolyse- und Versäuerungsstufe als optimal angesehen werden.

Die im Säurereaktor individuell produzierten Stoffwechselprodukte lassen sich im Methanreaktor in das Endprodukt Methangas und Kohlendioxyd umwandeln.

Bei diesem Verfahren sind die Stoffwechselleistungen der einzelnen Abbauphasen wesentlich höher als in einem Einstufenreaktor.

Darüber hinaus finde* durch die verfahrenstechnische Prozeßführung im Methanreaktor die Adaption einer symbiotischen

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Population von acetogenen bzw. methanogenen Bakterienstämmen statt, d.h. daß auch die Bildung von Essigsäure in der Fenn&ntationsstufe II gem. nachstehender Gleichung möglich ist:

2 CO₂ + 4 H₂ CH₂COOH + 2 M₂O

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein höherer Abbaugrad bei kurzen Verweilzeiten erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung findet eine kontinuierliche verbesserte Reduzierung des Wasserstoff-Partialdruckes im Sedimentationsbereich der im ersten Reaktorraum geb-ildeten Produkte statt und zwar durch die vorgesehene hydraulische umwälzung nach dem Kreisprinzip im zweiten Reaktorraum. Durch die Erfindung wird ein erhöhter Anteil an Essigsäure produziert und die weniger erwünschte Produktion '.'von Propion - und Buttersäure verhindert. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zweistufenverfahren können die Verweilzeiten der Substrate in dem kombinierten Reaktor mit Biogasleistungen (CH₄ + CO₂) von 3-6 m /d pro m Faulraum verringert werden. Es wird ein hoher Abbaugrad der organischen Substanzen erreicht. Das produzierte Biogas ist fast völlig frei von unerwünschtem Anteil an Schwefelwasserstoff.

Der erfindungsgemäße Zweistufenreaktor ist äußerst betriebssicher, wobei such toxische Stoffe in Grenzen eintragbar und abbaubar sind.

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Die mit der Erfindung erzielbaren Ergebnisse können noch weiter verbessert werden durch überlagerung der hydraulischen Umwälzung mit einer weiteren Umwälzung durch thermische Zirkulation, wie dies im Anspruch 2 angegeben ist.

Vorteilhafte zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren UnteranSprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen hydraulischen Umwälzung und thermischen Zirkulation im zweiten Reaktor*- raum findet eine verbesserte Reduzierung des Wasserstoff-Partialdruckes im Sedimentationsbereich des ersten Reakfcorj raumes über den Ringspalt zwischen dem kegelförmigen

Boden und dem Mischinjektor durch eine Wasserstoff-Zehrung von Methanbakterien in Form einer verbesserten Kopplungs-Reaktion statt. Hierdurch wird die weniger erwünschte

y Bildung von Propion» und Buttersäure verhindert und

gleichzeitig mehr Essigsäure gebildet.Für die erhöhte Produktion von Essigsäure ist der nach Beendigung der Beschickungsphase am stillstehenden Substrat im Sedimenta-

S tionsbereich (Bereich des Ringsoaltes 11)de» Reaktorraumes

λ vorbeiströmende Substratstrom aas dem Reaktorraum 2 maßgebend.

!; Bei der Beschickung des ersten Reaktorraumes strömen

die produzierten Stoffwechselprodukte der ersten Fermentationsstufe durch den Ringspalt, werden mit Belebt-Schlamm der zweiten Fermentationsstufe des zweiten Reaktorraumes

§ im Mischinjektor substratschonend, d.h. ohne Einwirkung

von Scherkräften, durchmischt und über die von der zylindrischen Wand umschlossene zylindrische .Kammer in den zweiten Reaktorraum im Kreise mit Rückvencischung gefördert, wodurch eine ausaezeichnet

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Verteilung der Stoffwechselprodukte für einen hochgradigen Abbau erreicht wird.

Div Strahlpumpe mit seitlich offener Düsenmischkairaner saugt über den Wärmeaustauscher, der in seiner Doppelfunktion auch als Leitrohr dient. Substrat von unten aus dem ersten {

Fennentationsraum an, wobei das Verhältnis von Belebt-Schlamm zum \ eingespeisten frischen Substrat mindestens 3:1 beträgt. Die Substratumwälzung erfolgt im Kreis mit Rückmischung. Gleichzeitig wird durch den Flüssigkeitsstrahl der Strahlpumpe eine eventuell gebildete Schwimmdecke aufgebrochen und aufgelöst. Darüber hinaus werden während der hydraulischen Umwälzung die im seitlichen Kegelboden sedimentierten Stoffwechselprodukte unwesentlich gestört bzw. aufgewirbelt. Der Wärmeaustauscher bewirkt eine zusätzliche Umwälzung des Substrates durch Konvektion.

Die doppelwandig ausgeführte Zylinderwand 8 hat zusätzlich die Funktion einer Wärmedämmung, insbesondere durch das im Zwischenraum eingeschlossene Biogas. Durch die Wärmedämmung wird erreicht, daß in den Reaktorräumen mit unterschiedlichen Substrattemperaturen gefahren werden kann.

Bei Biogas-Reaktoren mit einem Inhalt unter 300 m befindet sich der erste Reaktorraun in der Kitte des zweiten Reaktorraumes. Bei Biogas-Reaktoren mit einem Inhalt größer als 300 m werden mehrere einzelne Reaktor·-· räume für den ersten Fermentationsprozeß eingesetzt.

Durch den hochgezogenen Kegelboden des ersten Reaktorraumes können sich keine Sedimentationsschichten bilden. Die in den Reaktorrauiti 1 geförderten und nicht abbaubaren Stoffe rutschen auf dem

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Kegel in den zweiten Reaktorraum und können von dort abgeschlämmt bzw. ausgetragen werden.

Durch das vorgesehene Doppel-ü-Rohr zum Austragen der biologisch abgebauten Substanzen aus dem zweiten Reaktorraum ergibt sich die Möglichkeit einer Druckgas-Speicherung in Abhängigkeit von der Ü-Rohrschenkelhöhe»

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Biogas-Reaktor, Fig. 2 schematisch einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Biogas-Reaktor mit mehreren Reaktorräumen für den ersten Fermentationsprozeß und

Fig. 3 schematisch die Ausbildung der bei den Biogas-Reaktoren nach den Fig. 1 und 2 vorgesehenen Wärmetauschern.

Die Zeichnung zeigt einen kombinierten Biogas-Reaktor mit einem ersten Reaktorraum 1 und einem zweiten Reaktorraum 2. Im ersten Reaktonraum, der imerhalb des zweiten Reaktorraumes angeordnet ist, findet ein erster Fermentationsprozeß (Hydrolyse- und Sa'urebildung) und iir. zweiten Reaktorrauni ein zweiter Fermentationsprozefi (Methanbildung) statt.

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Der erste Reaktorraum 1 weist einen hochgezogenen Boden mit kegelförmiger Bodenfläche 19 auf und wird gebildet von einem doppelwandigen Zylinder 8, zwischen dessen Wänden ein ringzylindrischer Zwischenraum 40 gebildet ist. Der Zylinder 8 endet oberhalb des kegelförmigen Bodens 19, so daß zwischen Zylinder 8 und Boden 19 ein Ringspalt 11 gebildet wird, über den der erste Reaktorraum 1 mit dem zweiten Reaktorraum 2 in offener Verbindung steht. Das untere Teil des doppelwandigen Zylinders 8 ist als Mischinjektor 10 ausgebildet.

Die Zylinderwand 8 wird von einem weiteren Zylinder 9 beabstandet umgeben, so daß eine zylindrische Ringkammei 44 gebildet wird, die als Überlaufkammer ausgebildet ist und beabstandet zum Boden des zweiten Reaktorraumes 2 endet, so daß ein weiterer Ringspalt 46 gebildet wird, der wie auch der Ringspalt 11 in eine Injektionsmischkammer 4 5 führt, die begrenzt wird vom Kegelboden 19, der zylindrischen Wand 9 sowie vom Mischinjektor 10. Über den Zwischenraum 40 kann Biogas unter Druck mittels eines Gasverdichters 5 dem Mischinjektor zugeführt werden. Der Saugstutzen des Gasverdichters 5 ist an einen Biogasraum 42 des Reaktorraumes 2 angeschlossen und der Druckstutzen des Gasverdichters ist mit dem Zwischenraum äes Dcppelwandzylinders 8 verbunden.

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Das untere Ende des Zylinders 9 ist als Wärmetauscher 12 ausgebildet. Mit Hilfe des Mischinjektors 10 wird eine hydraulische Kreisumwälzung des Substrates im Reaktorraum 2 *' hervorgerufen, wie dies durch die Linie 48 angedeutet ist.

Eine weitere thermische Zirkulation des Substrates wird

' durch den Wärmetauscher 12 hervorgerufen. Diese thermische

Zirkulation überlagert die hydraulische Umwälzung

Im Reaktorraum 1 ist oberhalb des Kegelbodens 19 zentral eine Strahlpumpe 7 irdt seitlich offener Düser.-mischkamraer angeordnet, die das Substrat im Reaktorraum 1 von unten ansaugt und nach oben pumpt. Die Strahlpuinpe 7 ist umgeben von der Wendel eines rohrförmigen Wärmetauschers 6, der damit als Leitrohr wirkt, wie auch die ringförmige Zwischenkammer 44, woduijh eine hydraulische Kreisumwälzung des Substrates im Reaktorraur. 1 bewirkt wird, wie dies durch die Linie 5o angedeutet ist. Diese hydraulische Umwälzung wird überlagert von einer thermischen Zirkulation, die hervorgerufen wird durch den Wärmetauscher Die Vorlauf- und Rücklaufanschlüsse der Wärmetauscher

12 und 6 sind mit den Bezugzeichen 15 und 20 bzw. 16 und 18

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bezeichnet. Die gewendelten Wärmetauscherrohre bestehen vorzugsweise aus Kunststoff (beispielsweise Polypropylen) (Fig. 3), Als Stützkonstruktion dienen jeweils zwei einzelne U-förmige Rohre 24, die gleichzeitig Verteilerrohre für den Vorlauf und den Rücklauf bilden. Die Rohre werden mittels justier-

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barer Rohrbuchsen 26 durch die Reaktorwand geführt. Mit dem Bezugzeichen 2 5 ist ein Entlüftungsventil bezeichnet.

int Reaktorrautn 2 sind noch zwei Austragstutzen 13 und 14 angeordnet,Wahlweise über ein Drei-Wegeventil 21 mit einem Doppel-U-Rohr 22 verbindbar sind zum Austragen biologisch abgebauter Substrate. Der Austragstutzen 13 befindet eich in Bodennähe und der Austragstutzen 14 etwa in halber Höhe des Reaktorraumes 2. Der erste U-Rohr-Schenkel 28 ist über eine Leitung 30 mit dem Biogasraum 4 verbunden.

Das im Reaktorraum 2 entstehende Biogas CH- + CO₂ ist über ein Absperrorgan 3 und das im Reaktorraum 1 entstehende saure Biogas CO₂ + H₂S ist über ein Absperrorgan 4 ableitbar.

Bei Reaktoren mit einem Inhalt von weniger als 300 m wird ein einziger Reaktorraum für den ersten Fermentationsprozeß verwendet, der zentral im Reaktorrauir. für den zweiten Fermentationsprozeß angeordnet ist, vgl. Fig. 1. Bei Reaktoren mit einem Inhalt von mehr als 300 m" werden mehrere, beispielsweise drei einzelne Reaktorräume 32,34, 36 für den ersten Fermentationsprozeß verwendet, die gleichmäßig verteilt im Reaktorraum 2 für den zweiten Fermentationsprozeß angeordnet sind, vgl. Fig. 2, wobei der Wirkungsbereich der einzelnen Reaktorräume so eingestellt wird, daß er bei 3 Reaktorräumen einen

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Aktionsradius auweist, der etwa 25% des Gesaretdurchiriessers des Reaktors 2 ausmacht.

Der in der Zeichnung dargestellte Zweistufen-Reaktor ist in einen RÄumverhälthis des ersten Reaktorraumes 1 für die Säurebildungsbase zum zweiten Reaktor- raum 2 für die Menthanbildungsbase von etwa 1:10 gebaut.

Der in der Zeichnung dargestellte Biögas-Reaktor arbeitet wie folgt. Der erste Reaktorraum 1 wird mit dem zu behandelnden Substrat über einen Absperrschieber 17 beschickt. Mit BiIfe der Strahlpumpe 7 wird das Substrat hydraulisch umgewälzt, wobei ein Verhältnis von Belebtschlamm zum eingespeisten frischen Substrat von mindestens 3:1 eingestellt wird. Die Beschickung erfolgt dabei über eine externe Pumpe, die nicht dargestellt ist. Diese Pumpe ist mit dem Absperrschieber 17 sowie der Strählpampe 7 verbunden. Während der Beschickung, die quasi-kontinuierlich erfolgt, wird mittels der Strahlpumpe 7, die an der Dusenmischkammer mit seitlichen Schlitzen versehen ist, Belebtschlamm angesaugt und mit dem eingespeisten Substrat gemischt. Dabei strömt während des Beschickungsvorganges Belebtschlamm von unten in den Wärmetauscher ständig nach. Nach der Beschickung des Reaktorraumes 1 wird durch den eingetretenen Temperaturabfall der Wärmetauscher 6 in Betrieb genommen, um die vorgesehene optimale Temperatur von ca. 30° einzustellen und konstant zu halten. Durch die Einschaltung des Wärmetauschers findet, wie bereits erwähnt,

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eine weitere Umwälzung in Form einer thermischen Zirkulation des Substrates statt.

Während der Beschickung des Reaktorraumes 1 werden die im Xegelbodenberelch 19 angesammelten Stoffwechselprodukte, die in erster Linie Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxyd sind, über den Rlugspalt 11 in die Injektionsiriischkammer 45 gefördert und mit Belebtschlamm aus dem Reaktorraum 2 gemischt und mit Hilfe des Mischinjektors über die Zwischenringkammer 44 in den Reaktorraum 2 gefördert und durch gleichzeitige Kreisumwälzung entsprechend verteilt. Gleichzeitig erfolgt durch den Temperatürabfall im Reaktorraum 2, der mit einer optimalen Temperatur von ca. 35° C betrieben wird, die Einschaltung des Wärmetauschers 12. Auch im Reaktorraum 2 findet nach Abschaltung des GasVerdichters 5 bzw. des Mischinjektors eine thermische Umwälzung über den Zwischenraum 44 durch die Wirkung des Wärmetauschers 12 statt. Eine Anordnung aus Gasverdichter 5, ringförmigem Zwischenraum 40 als Leitrohr, Mischinjektor 10 und ringförmige Zwischenkäufer als weiteres Leitrohr wird auch als Mammutpumpe bezeichnet.

Durch die hydraulische und thermische umwälzung des Substrates im Reaktorraum 2 wird über den Ringspalt eine Reduktion des Wasserstoff-Partialdruckes im Sedimentationsbereich des Reaktorraumes 1 vorgenommen. Das im Reaktorraum 2 erzeugte Biogas (CH₄ + CO-) wird über das

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Absperrorgan 3 entnorrjnen und den Verbrauchern zugeführt. Das im Reaktorraun 1 erzeugte saure Biogas (CO- + H₂S) kann über das Absperrorgan 4 abgelassen werden.

Nach entsprechendem biologiechen Abbau der organischen Substanzen wird das verbleibende Substrat bzw. der Belebtschlamm aus dem Reaktorraum 2 über den Austragstutzen 13 oder 14 gernäß der in den Reaktorraum 1 eingespeisten frischen Substratmenge ausgetragen. Der ausgetragene Faulschlamm fließt durch das Doppel-U-Rohr 22, das gleichzeitig als Siphon für eine Druckgasspeicherung dient durch den Anschluß an den Biogasraum 42.

Zur Erzielung eines günstigen fceaktorwirkungsgrades bei möglichst geringem Materialverbrauch wird ein Verhältnis zwischen Höhe und Durchmesser des Reaktors von etwa 2 : gewählt.

Claims

DIpl.-lng. Sigurd Leine ■ DIpl.-Phys. Dr. Norbert KSnIg

BurekhardtstreBe 1 Telefon (0511)623005

D-3000 Hannover ι

Heinz Harrendorf 680/I 28. Februar 1984

Ansprüche

1. Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Substraten mit organischen Stoffen zur Erzeugung von Biogas mit einem Bioreaktor, der einen ersten Reaktorraum aufweist für die überführung der Stoffwechselprodukte aus dem organischen Eub/strat in erster Linie in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid, und mit einem zweiten Reaktorraum zur Umwandlung der im er sten Reaktorraum entstandenen Produkte in Biogas, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Reaktorraum (1) und/oder im zweiten Reaktorraum (2) eine mechanische bzw. hydraulische ümwälzeinrichtung angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin im ersten Reaktorraum (1) und/oder im zweiten Reaktorraum (2) eine thermische ümwälzeinrichtung für die in den Reaktorräumen befindlichen Substanzen vorgesehen ist zur Erzielung höherer Umwälzleistungen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) mit einer doppelwandigen Zylinderwand (8) ausgebildet ist, an deren Zwischenraum (4o) ein Biogasanschluß angeschlossen ist, und deren unteres Ende »ls Mischinjektor (1o) ausgebildet ist zur Durchmischung der im Reaktorraum (1) erzeugten Produkte mit Belebtschlamm des zweiten Reaktorraumes und zur Förderung der Mischung in den zweiten Reaktorraum.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

!j daß zur Förderung der Mischung in den zweiten Reaktorraum

f eine als Oberlaufkammer ausgebildete ringförmige zylindrische

Kammer (44) vorgesehen ist, die von der Zylinderkammer (8)

'< und einer diese beabstandet umgebenden zylindrischen Hand

(9) gebildet wird, welche mit Abstand oberhalb des Bodens des Reaktorraumes (2) endet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) einen hochgezogenen Boden mit kegelförmiger Bodenfläche (19) aufweist, daß zwischen dem unteren Ende der Zylinderwand (8) und dem kegelförmigen Boden (19) ein Ringspalt (11) gebildet ist, der mit einer Injektionsmischkammer (45) in Verbindung steht, die begrenzt wird vom kegelförmigen Boden (19), dem unteren Teil der zylindrischen Wand (9) und dem Mischinjektor (1o).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Reaktorraum (1) zur kreisförmigen Substratumwälzung eine Strahlpumpe (7) angeordnet ist, die eine seitlich offene Düsenmischkammer aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe (7) innerhalb eines senkrecht angeordneten rohrförmigen Wärmeaustauschers (6) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher U-förmige Vorlauf- und Rücklaufrohre (24) aufweist, die als Stützkonstruktion, Verteilerrohre und Entlüftungsrohre dienen und zwischen denen eine Rohrwendel (23) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil der zylindrischen Wand (9) durch einen Wärmetauscher (12) gebildet wird.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet» daß der zweite Reaktorraum (2) den ersten Reaktorrau« (1) ringförmig umgibt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch .gekennzteichnet, daß der erste Reaktorraum (1) aus mehreren einzelnen zylindrischen Reaktorteilräumen besteht, die innerhalb des zweiten Reaktorraumes (2) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleiche einzelne zylindrische Reaktorteilräüme (32, 34, 36) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Reaktörteilräuine (32, 34, 36) auf einem Radius von etwa 25 % des Durchmessers des zweiten Reaktorraumes (2) erfolgt.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) mit seiner Zylinderwand (8) und gegebenenfalls der zylindrischen Wand (9) zusammen mit den Wärmeaustauschern (6, 12) als nach oben herausziehbarer Einsatz ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Austragstutzen (13) in Bodennähe oder ein Austragstutzen (14) im mittleren Bereich des zweiten Reaktorraumes (2) angeordnet ist zum Austragen des biologisch abgebauten Substrates.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Austragen des biologisch abgebauten Substrates ein Doppel-Ü-Rohr (22) vorgesehen ist.

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dessen erster Schenkel (28) zur Erzielung einer Druckgasspeicherung im Biogasraum in Abhängigkeit von der Höhe des Schenkels über eine Leitung (3o) mit dem Biogasraum (42) des zweiten Reaktorraumes (2) verbunden ist.

17* Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzelehnet, daß ein Gasverdichter (5) vorgesehen ist, dessen Druckstutzen an den Zwischenraum (4o) und dessen Saugstutzen an den Biogasraum (42) des Reaktorraumes (2) angeschlossen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens des ersten Reaktorraumes (1) zum Volumen des zweiten Reaktorraumes (2) wie an sich bekannt etwa 1 : 1o beträgt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren in den Reakterr"*amen (1, 2) angeordnet sind, die mit den Wärmeaustauschern f>, 12) gekoppelt sind zur überwachung und Einstellung der Temperaturen.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Höhe : Durchmesser des Biogasreaktors etwa 2 : 1 beträgt.