DE8808967U1 - Behälter zum Erzeugen von zu Heizzwecken nutzbarem Biogas - Google Patents

Behälter zum Erzeugen von zu Heizzwecken nutzbarem Biogas

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Description

Die vorliegende Neuerung betrifft einen Behälter zum Erzeugen von zu Heizzwfccken nutzbarem Biogas nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
Derartige Behälter, die man auch als Biogas-Reaktor bezeichnen kann, gibt es von der Form her gesehen schon als Öltanks, die im Garten vor dem Haus im Erdreich versenkt werden. Dsrn Antr5nstel ler ist der Geddnke opknmmpn. dip ständig anfallende Biomasse aus Hausabfällen, Fäkalien, Abwasser und Gartenabfällen in einem flui'Mynamisch optimierten Biogasreaktor vollständig zu mineralisieren und in zu Heizzwecken nutzbares Biogas umzuwandeln. Insbesondere wird hierdurch das Müll- und Abwasservolumen reduziert und außerdem Energie eingespart. Die auftretenden Probleme, auf die im folgenden näher eingegangen werden soll, verhinderten jedoch den Einsatz der eingangs erwähnten Behälter als Biogas-Ree''tor für Ein- und Mehrfamilienhäuser, Gartenbaubetriebe, kleine Gewerbebetriebe in der Lebensmittelherstellung sowie den Einsatz für kleinere landwirtschaftliche Betriebe.
Zum ersten sind die Behälterkosten für die verbreiterte Installierung von Biogassystemen hoch und liegen bei etwa DM 1.000,-- pro m3 Reaktorvolumen. Zum zweiten sind die Einrichtungen zum Suspendieren der eingebrachten Feststoffe mangelhaft und erreichen kaum eine effektive Durchmischung. Diese ist für eine Zugänglichkeit der organischen Substanz zum Abbau durch die anaerobe Mischkultur und für die Abfuhr des Stoffwechsel Produktes Biogas wegen eines gesteigerten Substratumsatzes durch die Bakterien von Bedeutung.
Für das Suspendieren von Feststoffen existieren eine Reihe von Rührorganen, deren Gemeinsames eine in die Lösung reichende Achse mit verschiedenen Auf- bzw. Anbauten ist. Der häufigste Rührertyp ist hier der Propellerrührer. Weitere Rührertypen, die eine axiale Strömung erzeugen, sind: der Schaufelrührer, der von EKATO entwickelte MIG-Rührer und der Wendelrührer.
Rührer, die eine radiale Flüssigkeitsströmung erreichen, sind: der Scheiben-, der Impeller-, der Kreuzbalken-, der Gitter-, der Blatt- und der Ankerrührer - in der Reihenfolge ansteigender Viskosität der Lösung genannt. Bei hohen Feststoffkonzentrationen ändern Suspensionen vielfach ihr Fl ießverhalt.en und zeigen oft strukturviskose Eigenschaften. In diesem Fall wird die Rührtechnik beispielsweise mit einem Propellerrührer nicht mehr zufriedenstellend gelost, um den gesamten Behälterinhalt zu erfassen und gleichmäßig durchzurünren, sind langsam laufende Rührertypen mit großen Durchmessern erforderlich, woraus eine mangelnde Durchmischung und ein hoher Energiebedarf resultieren.
Im Bereich der Anaerobtechnologie wird die Aufgabe des effektiven iuspendierens oft nur mangelhaft erreicht, insbesondere bei horizontalen Rührwerken wie Paddel und Schnecke. Dadurch wird keine gleichmäßige Durchirischung erzielt. Innenliegende Schraubenschaufler verbessern zwar die Durchmischung erheblich, erzeugen jedoch auch keine Geometrie in der Rührbewegung. Gemeinsame Nachteile der Rührorgane mit innenliegende Achsen und Finbauten sind ihre durch Propellerwirkung auftretenden hohen Scherkräfte, die bei langfristigem Betrieb auftretende Unwucht an der Rührachse, die Korrosion von Rührteilen und zusätzlichen Einbauten durch aggressive Medien, die Anbackung von Feststoffen, vor allem an Einbauten, und die damit verbundene herabgesetzte Rührerleistung sow^e die Störanfälligkeit durch Fasern und Fetzen ir. Feststoff-Flüssig-Gemisehen an Achslagerungen und anderen bewegten Rührorganen. Eine Verbesserung der Rührtechnik ergibt sich durch außenliegende Umwälzpumpen. Stand der Technik ist hier das Umwälzen des Behälterinhalts, wobei vorzugsweise das Medium radial oder an der Kegel spitze eines Behälters abgezogen und radial am Behälterkopf wieder zugeführt wird. Dadurch ergibt sich zwar eine Durchmischung; diese ist jedoch ungerichtet und kann nur bis auf eine gewisse Größenordnung eine Durchmischung erreichen.
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Eine ideale Mischung des Reaktorinhalts und ein effektives Suspendieren der Feststoffe ist dabei nur zum Teil gegeben. Durch auftretende Totzonen und Zonen mit geringer Strömung ist man oft weit vom Ideal der homogenen Mischung entfernt.
Um eine annähernd ideale Durchmischung zu erzielen, ist einerseits eine annähernd ideale Reaktorgeometrie und andererseits eine intensive und gleichmäßige Strömung im gesamten Reaktorvolumen erforderlich.
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Die Aufgabe einer annähernd idealen Rührung des Reaktorinhalts wird durch die Eiform des Behälters und im wesentlichen durch eine außenliegende Rotorumwälzpumpe und eine tangentiaie Umpumpleitung erreicht. Ein spezifisches Kriterium ist die sowohl am Reaktorboden als auch am Reaktorkopf tangentiale und gegenläufige Anordnung von Zu- und Ablaufrohr am Behälter. Die tangentiale Strömung wird am Reaktorkopf sowie am Reaktorboden durch den sich ständig verringernden Behälterdurchmesser wesentlich erhöht.
Da Feststoff-Flüssig-Lösungen eine Neigung zur Entmischung durch Sedimentation und durch Flotation zeigen, wird durch die erhöhte tangentiale Strömungsgeschwindigkeit am Reaktorzulauf eine Schwimmdeckenbildung herabgesetzt und die Feststoff-
der von Feststorfen einmischung bei Aufgäbe pm ReaKtorkopf hinaufgesetzt. Am Reaktorboden wird durch die erhöhte Tangential strömung der Sedimentation der zu suspendierenden Feststoffe entgegengewirkt.
Durch eine Umkehrbarkeit der Drehrichtung der eingesetzten Umwälzpumpe kann der Reaktor in gegenläufiger, bei dennoch tangentialer Strömungsrichtung umgepumpt werden. Dadurch wird vor allem bei intermittierendem Umwälzbetrieb die Verstopfungsgefahr der Umpumpleitung durch die am Reaktorauslauf sedimentierten Feststoffe minimiert. Durch die entgegengesetzte Drehrichtung der Pumpe wird die tangentiale Strömung ausgehend vom Behälterboden zum Reaktorkopf und somit eine Aufschlämmung bzw. auch ?ine Entgasung des Sedimentationsschlammes erreicht.
Ziel dieser Tangential -Gegen! auf -Rührtechmk ist es, eine verbesserte Effektivität in dor Durchmischung des Reaktorinhalt? und eine verbesserte Störungsfreiheit bei permanentem und intermittierendem Betrieb zu erhalten.
Die zugrundeliegende Aufgabe bezieht sich auf eine störungsfreie Riihrtechnik durch den Einsatz eines beinahe ideal geformten Reaktors, der sowohl in Hoch- als auch Tiefbau bzw. Erdb&urfeise verlegbar ist und durch ein außen liegendes Umpumpsystem gerührt wird.
Das Umpumpsystem besteht aus einer Rotor- bzw. Drehkolbenpumpe, die in ihrer Drehrichtung umkehrbar ist. Um eine Verbesserung in der Durchmischung des Reaktors zu erreichen, werden die zu- und abführende Umpumpleitung am Reaktorkopf sowie am Reaktorboden gegenläufig tangential angeordnet. Durch diese beidseitige tangentiale Anordnung der Umpumpleitung kann im Zusammenwirken mit der Rotorpumpe eine strudeiförmige Rührbewegung eingeleitet werden. Dadurch können die in den Reaktor eingebrachten FeststoffanteiIe durch den Strudel auf das Reaktorvolumen schneller und besser verteilt werden. Da im Reaktor keine Einbauteile vorhanden sind, wird die Strömung weder gestört noch behindert. Bei
die
dennoch optimaler Rührung ergibt sich für Jn der Lösung enthaltene Mikroorganismenkultur eine geringe Scherbelastung. Ein weiterer Vorteil besteht in der tangentialen Strömung, die die eingebrachten Feststoffe besser und gleichmäßiger auf das Reaktorflüssigvolumen verteilt. Durch die außenliegende Pumpe ergibt sich darüberhinaus eine verbesserte Möglichkeit zur Wartung des Rührorgans.
Durch die Umkehr der Drehrichtung der Pumpe wird eine störungsfreie Rührung und eine Herabsetzung der Vestopfungsgefahr durch sich im Reaktorauslauf ansammelnde Feststoffe ermöglicht. Durch den tangetialen Rohrauslauf und die Gegenläufigkeit der Rohranschlüsse kann das Reaktorsystem rückläufig, d. h. in entgegengesetzter Strömungsrichtung eingesetzt werden.
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Dadurch können Be- und Entgasungsvorgänge von Fermentationslösungen begünstigt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale sind in den vorstehenden Unteransprüchen beschrieben, die einzeln oder auch gemeinsam mit Anspruch 1 von erfinderischer Bedeutung sein können.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Neuerung anhand Fig. 1 beschrieben, die eine schematische Darstellung des neuerungsgemäßen Behälters zeigt.
Es wird ein in Polymerbetonbauweise und mit Kunststoffinnenbeschichtung hergestellter Serienbehälter 10 unterirdisch im Garten angeordnet. Dieser stellt durch seine eiförmige Bauweise eine beinahe ideale Reaktorgeometrie für die Rotorumwälzpumpe 2 dar. Die Reaktorvolumina können zwischen 2,5 und 15 Kubikmetern in festgelegten Abstufungen und darübeihinaus durch Behälterstapelung größere Volumina erreicht werden.
Der Behälter 10 wird über eine vom Haushalt kommende Zugabeleitung 3 gespeist, bei der es sich um den gesammelten Abwasserzulauf aus dem Kuchen- und WC-Bereich handelt. Eine Biogasleitung 8 ist mit dem Deckel des Behälters 10 und dem nicht gezeigten Heizkessel im Haus verbunden. Diese Leitung weist einen Kondensattopf 7 auf. Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein Trübwasserablaufrohr gekennzeichnet, daß mittig in den Behälter 10 eingeführt ist und einen Querstromfilter 5 außerhalb des Behälters 10 aufweist. Für dieses Ablaufrohr 4 ist eine Rückspülpumpe 6 vorgesehen.
Im verfahrensgemäßen Ablauf wird nach erfolgter Sedimentation über ein in der Mitte des Behälters 10 angebrachtes Rohr 11 das Trübwasser abgezogen, sobald neues Substrat oder Abwässer in den Behälter 10 eingetragen werden,
Von besonders neuerungsgemäßer Bedeutung ist jedoch die außerhalb des Behälters 10 mit den Rohren 9 verbundene Rotor- bzw. Drehkolbenumwälzpumpe 2. Die Rohre 9 selbdt.verlaufen in tangentialer Richtung zum Behälter 10 und sind mit dem Behälterkopf 10a. bzw. dem Behälterboden 10b verbunden.
Um eine entsprechende strudeiförmige Rührbewegung im Bebälter 2 zu erreichen, ist eine Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa 220 Umdrehungen der Pumpe 2 pro Minute erforderlich.
Bei einer Reaktorgröße von 10 Kubikmetern Bruttovolumen ist auf Höhe des EinlaufStutzens 1 des Rohres 9 eine Fördergeschwindigkeit von <2twa 3,77 m/min, und somit bei einem Rohrinnendurchmesser von DN 100 eine Pumpenförderleistung von etwa 213 Kubimeter pro Stunde nötig, um die tangentiale Strömung zu erreichen und die bei 120 U/min, auftretende Strudelbewegung einzuleiten. Werden geringere Rohrdurchmesser eingesetzt, wird eine reduzierte Förderleistung der Pumpe möglich. Dadurch kann die Leistung des die Pumpe 2 antreibenden Motors (Verbrennungs- oder &Egr;-Motor) reduziert sowie ine Kostenreduktion durch Einsatz von Pumpen mit geringerer Kapazität erreicht werden. Bei einem Rohrinnendurchmesser von DN 70 kann eine Senkung des Fördervolumens auf etwa 104 Kubikmeter pro Stunde, d.h. um etwa die Hälfte, erzielt werden. Diese Maßnahme ist jedoch im direkten Zusammenhang mit dem umzupumpenden Substrat bzw. dem Feststoffgehalt im Reaktorvolumen zu betrachten.
Der neuerungsgemäße Behälter 10 soll in erster Linie in der anaeroben Abwassertechnologie eingesetzt werden, wodurch ein größerer Rohrquerschnitt (d.h. DN 100) zwecks eines unbehinderten Feststafftransportes empfohlen wird. Der Rohr-durchmesser muß in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt bzw. der Viskosität des gepumpten Fluids gewählt werden und ist im Einzelfall speziell zu ermitteln.
Der Reaktor/selbst muß im Volumen auf den Abwasseranfall angepaßt werden. Im gegenständlichen Fall wird ein 10 Kubikmeter-Reaktor/eingesetzt, der eine Speicherung des Abwasseranfalls eines Zwei-Personen-Haushalts bis zu 30 Tagen hydraulischer Verweilzeit ermöglicht. Darüberhinaus soll durch das größere Volumen eine geringere Feststoffkonzentration im Reaktorvolumen, d. h. eine niedrigere Raumbelastung resultieren, die eine Total Vergärung der organischen SubstariZ durch eine längere Feststoffverweilzeit ermöglicht.
Die Füllung des Reaktorinhalts bei Anwendung in der häuslichen Anaerobtechnologie soll sich aus häuslichen Abwässern, Fäkalinhaitsstoffen und Gartenbiomasse zusammensetzen. Die häuslichen Abwasser setzen sich aus Toilettenspülwässern und darin enthaltenen Fäkalien, Urin und Toilettenpapier, aus Waschwässern mit darin enthaltenen Seifen lösungen und biologisch abbaubaren Kuchen- und Haushaltsreinigern und aus Küchenspülwässern mit darin enthaltenem bereits geshreddertei.; organischem Küchenabfall zusammen.
Die Gartenbiomasse besteht in der Hauptsache aus Rasenschnitt, wie er nach dem Rasenmähen anfällt, und geshreddertem Laub von Obst- und Laubbäumen. Weitere Bestandteile der Gartenbiomasse sind Blüten, Samen und Früchte in verdorbenem und unverdorbenem Zustand, Blumenschnitt und weiterem Grünschnitt
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sowie durch Vertikutieren erhaltene Moosanteile aus den Rasenflächen.
Die Zusammenführung der Abwasser und die Shreddung der Abfall- und Fäkalbiomasse haben den Sinn der besseren Umpumpbarkeit und des besseren biologischen Abbaus im Reaktor. Die Zusammensetzung dpr Fäkalinhaltsstnff&rgr; ist im Durrhsrhnitt auf etwa 0,5 kg pro Einwohner und Tag praktisch festgelegt. Variabel kann nur die Zugabe des organischen HaustnltsabfalIs und der Gartenbiomasse gehalten werden. Diese Zugabe wird in Abhängigkeit vom Gasbedarf für die Raumheizung entsprechend den Monaten gezielt gesteuert.
Die Zugabe von Garten- und Haushaltsabfall erfolgt überdies getrennt. Während der organische Haushaltsmüll über die normalen Äbflußkanäle dem Reaktor/zugeleitet wird, kann die Gar-
1 10
tenbiomasse nur üb.r einen am Reaktor/angebrachten Einfüllstutzen und einen mit &Egr;-Motor angetriebenen Spiralelevator 8
10
in den Reaktor/eingebracht werden.
Die Zugabe der Substrate muß sich nach Richtlinien des C/N-Verhältnisses mit Mischungen zwischen 5:1 und 25:1 in erster Linie orientieren. Die Stickstoffgaben stammen dabei hauptsächlich aus den Fäkalstoffen, die Kohlenstoffanteile überwiegend aus den Gartenbiomassen.
In zweiter Linie orientiert sich die Zugabe an vergärbarer organische" Substanz am jahreszeitlichen Gasbedarf für Wohnraumheizuno. Dies hat zur Folge, daß im Sommer entstehende Gartenbiomasse in Kompostern für den im Winter erhöhten Heizbedarf gestapelt wird.
Für den Heizbedarf von 20 Kubikmeter Biogas sind bei einer Gasproduktivität der organischen Substanz von 0,7 Kubikmetern etwa 28 kg organische Trockenmasse erforderlich. D. h., im Falle des Einsatzes von Grasschnitt müssen entsprechend bis
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zu etwa 140 kg Biomasse dem Reaktor (10) zugeführt werden. Dies entspricht einer 1/· %-igen Lösung bezogen auf ein Reaktorvolumen von 10 Kubikmetern.
Die Reaktorbelastung kann bis auf ntwa 6 % Feststoffgehalt ansteigen.
um die ümpumpbarkei t des Reaktor irihal ts bei riucn höheren Feststoffkonzentrationen (bis zu 10 % Feststoffgehalt) zu gewährleisten, dient das bereits vorgestellte tangentiale Umpumpsystem.
Darüberhinaus ist beabsichtigt, den Reaktor, auch ohne Elevatoreinrichtung, zu weiteren Fermentationszwecken in der Biotechnologie, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und im Pnarmafermentationsbereich zu nutzen.

Claims (7)

  1. Schut zansprüche
    L Behälter zum Erzeugen von zu Heizzwecken nutzbarem Biogas aus Haus- und Gartenabfällen sowie Fäkalien-Abwasser mit einem eiförmigen Gehäuse und mehreren Öffnungen für Zugabe- und Abgaberohre, gekennzeichnet durch eine außenliegende Rotor- bzw. Drehkolben-Umwälzpumpe (2), die über tangential verlaufende Rohre (9) mit dem Behälterkopf (10a) bzw. -boden (10b) verbunden ist.
  2. 2. Behälter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Polymerbeton mit einer Kunststoffinnenbeschichtung.
  3. 3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er etwa ein Volumen von 2,5 bis 15m3 umfaßt.
  4. 4. Behälter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in seinem oberen Bereich ein schräg nach oben verlaufender Einfüllstutzen (1) für die Biomasse befestigt ist, der einen elektrisch betätigbaren Schneckenelevator (8) besitzt.
  5. 5. Behälter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr (11) zum Abziehen von Überschußschlamm mittig im Behälter (10) verlaufend am Deckel befestigt ist.
  6. 6. Behälter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Ende nach unten gekrümmtes Rohr (12) auf halber Behälterhöhe zum Abziehen von Trübwasser in die Mitte des Behälters reicht und an der Behälterwand verankert ist.
  7. 7. Behälter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mit einer ieckage-Warneinrichtung auf Druckverlustbasis ausgerüstet ist, die den Austritt von Gas- oder Flüssigkeitsinhalt von vornherein ausschließt.
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