DK174691B1 - Bioreaktor samt fremgangsmåde til kompostering - Google Patents

Description

i DK 174691 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til kompostering af fugtigt organisk materiale i en isoleret kontinuerlig aerob bioreaktor med lodret komposteringsprofil, modstrøms-5 beluftning og bakker til det organiske materiale. Derudover angår opfindelsen bioreaktorens udformning samt anvendelse af bioreaktoren og fremgangsmåderne til behandling af fugtigt organisk materiale.

10 Fugtigt organisk materiale består af tørstof og vand. Kompostering er en aerob biologisk proces, hvor mikroorganismer nedbryder tørstof i det organiske materiale til primært carbondioxid, vand og varme. Det overordnede formål med opfindelsen er en høj nedbrydningshastighed på tørstoffet og 15 dermed kompostering af en stor mængde frisk organisk materiale på kort tid.

En høj nedbrydningshastighed forudsætter, at mikroorganismerne har gode levebetingelser. Det er almindelig kendt, at 20 de aerobe mikroorganismer kræver et fugtigt miljø, der ved beluftning tilføres oxygen og fraføres komposteringsprodukterne vand, varme og carbondioxid. Disse krav opfyldes almindeligvis kun i ringe grad, fordi det i praksis er vanskeligt at have et højt vandindhold i det organiske materia-25 le og samtidig sikre en god beluftning.

Det organiske materiale skal have en luftig struktur for at sikre den gode beluftning. Den højeste nedbrydningshastighed opnås ved en maksimering af vandindholdet under hensyntagen 30 til, at beluftningen ikke bliver hæmmet af vandet. Hæmningen kan ske, ved at små luftrum i det organiske materiale bliver fyldt med vand, eller ved at vandets masse komprimerer materialet og dermed ødelægger de små luftrum.

35 For at undgå en stigning i det organiske materiales vandindhold under komposteringen er det nødvendigt at fjerne både det ved komposteringen dannede frie vand og en del af det organiske materiales oprindelige vandindhold, svarende til nedbrydningen af tørstof.

40 DK 174691 B1 2

En kontinuerlig bioreaktor til kompostering er en lukket beholder med aktiv beluftning, der løbende tilføres frisk organisk materiale og fraføres kompost. En bioreaktor med lodret komposteringsprofil tilføres frisk organisk materiale 5 for oven, indeholder delvis komposteret materiale i midten og fraføres kompost fra neden. Ved modstrømsbeluftning strømmer komposteringsluft først gennem komposteret materiale og til sidst gennem frisk materiale.

10 Den store fordel ved en kontinuerlig komposteringsreaktor med lodret komposteringsprofil og modstrømsbeluftning er, at man kan opnå en stabil komposteringsproces med en høj nedbrydningshastighed. Dette er muligt, fordi reaktoren indeholder organisk materiale på alle nedbrydningsstadier, og 15 fordi beluftningen er i overensstemmelse med behovet for fjernelse af vand og energi.

Frisk organisk materiale indeholder både let og tungt nedbrydeligt tørstof. Under komposteringen vil der efter ned-20 brydning af det let nedbrydelige tørstof ske et eksponentielt fald i nedbrydningshastigheden. Dermed sker der et tilsvarende fald i behovet for fjernelse af vand og energi. Ved modstrømsbeluftning tages hensyn til dette, da der sker opvarmning af komposteringsluften, fra den først 25 strømmer gennem komposteret materiale og til den strømmer gennem frisk materiale. Denne opvarmning medfører en eksponentiel stigning i luftens evne til at indeholde vand og energi.

30 Komposteringens varmeudvikling føres bort fra en komposteringsreaktor ved konduktion og konvektion. Konduktionen sker ved varmetransmission gennem reaktorens vægge, og konvektionen sker dels ved opvarmning af komposteringsluften og dels fordampning af vand, der føres bort med komposterings-35 luften. Konvektionen skal maksimeres for at opnå den størst mulige nedbrydningshastighed (= hurtigste kompostering).

Baggrunden er, at der ved konvektionen føres vand bort, og derfor kan man ved en stor konvektion tillade et stort vandindhold i det organiske materiale, uden at vandindholdet 40 i det organiske materiale stiger under komposteringen.

DK 174691 B1 3

Til kompostering af fugtigt organisk materiale er det almindeligt kendt at anvende bakker. I US-patent 5,441,552 og det franske patentskrift 2 594 434 er der beskrevet bakker med 5 perforerede sider og bunde. Perforeringen sikrer en passiv beluftning af det organiske materiale under komposteringen.

' Bakkernes uisolerede perforerede sider har 2 store ulemper.

For det første vil en stor del.af komposteringens varmeud-·' vikling blive ledt bort gennem siderne ved konduktion, og 10 for det andet er det ikke muligt at styre beluftningen af det organiske materiale under komposteringen.

I det tyske patentskrift DE 40 06 239 Al anvendes en isoleret lagerbygning til eftermodning af komposteret materiale 15 på paller. Selve lagerbygningen er ventileret, men der er ingen aktiv beluftning af den enkelte palle i bygningen. Lagerbygningen indeholder kun komposteret materiale, og derfor er behovet for beluftning lavt.

20 Fra DE 297 06 411 U1 kendes en "hurtigkomposter" der har samme grundlæggene opbygning som DE 40 06 239 Al, men som anvender perforerede bakker med skrå sider i stedet for paller. De skrå sider medfører en god passiv beluftning af det organiske materiale i den enkelte bakke. Det er ikke 25 muligt at styre beluftningen af den enkelt bakke - kun beluftningen af det lukkede isolerede rum med bakkerne.

Principielt er der ved PCT-skriftet WO 94/19296 (Nigel 30 Nattrass) kendt et bakkesystem med lodret komposteringsprofil til kompostering af organisk materiale, idet bakker med frisk materiale sættes oven på bakker med komposteret materiale. Den enkelte bakke er firkantet og forsynet med en rist i bunden samt mindre åbninger på 2 modstående sider til 35 passiv beluftning af det organiske materiale. Oven på stablen af bakker der et låg, og stablen af bakker står på en særlig bakke med fast bund og studs til aftapning af væske.

Omtalte bakkesystem (WO 94/19296) er af Nigel Nattrass videreudviklet, med særlig fokus på passiv ventilering af det 40 organiske materiale ved modstrømsbeluftning, kendt ved PCT- DK 174691 B1 4 skriftet WO 98/05606. Her har den enkelte bakke lukkede sider, og den nederste bakke står på ben, der er konstrueret til at lede luft op gennem stablen af bakker, når vinden blæser. Oven på stablen af bakker er der et låg med huller 5 til bortledning af luften, som strømmer gennem stablen.

Ventilationen i dette system må betragtes som passiv, da den er afhængig af vinden.

10 De ved WO 94/19296 og WO 98/05606 kendte bakkesystemer kan ikke karakteriseres som bioreaktorer, da det ikke er lukkede beholdere. Derudover er det en klar ulempe ved disse bakkesystemer, at den nederste bakke med kompost kun kan fjernes ved først at fjerne alle de ovenstående bakker. Da bakkerne 15 ikke er isolerede har begge bakkesystemer et stort varmetab ved konduktion. Derfor vil det ikke være muligt at undgå en stigning i vandindholdet ved kompostering af organisk materiale med et højt vandindhold.

20 Fra patentansøgning DK 0235/97 (Per Bjerager) kendes en isoleret bioreaktor med aktiv modstrømsbeluftning. Her opbevares og transporteres det organiske materiale gennem reaktoren i lukkede containere. Containerne i reaktoren er serieforbundne med rør, således at komposteringsluften først 25 strømmer gennem containere med komposteret materiale og til sidst gennem containere med frisk organisk materiale. Det er en stor ulempe, at containerne er forsynet med rør og låg.

I DK 0235/97 er rørføringen mellem containerne en stor men 30 nødvendig ulempe, fordi man ved tilførsel og udtagning containere skal skille og samle rør. Dette skille- og samle arbejde skal udføres manuelt da rørføringer mellem containeren skal være fleksible og tætte.

35 I DK 0235/97 er lågene til containerne en stor men nødvendig ulempe specielt ved anvendelse af store containere (grundareal på over 1 m2). Det er dyrt at lave et låg, og det skal have en væsentlig tykkelse (højde) for at kunne spænde over en stor container uden at deformere (deformation 40 skaber utætheder). Dermed optager låget betydelig plads i DK 174691 B1 5 bioreaktoren. Derudover er det en betydelig ulempe, at låget skal monteres efter fyldning af containeren med frisk organisk materiale, og at låget skal demonteres før tømning af containeren.

5

Opfindelsens formål er nu at tilvejebringe en fremgangsmåde til kompostering af fugtigt organisk materiale i en bioreaktor af den indledningsvis nævnte art, der let tilføres frisk organisk materiale, der let fraføres kompost og som 10 har en minimal konduktion.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved en fremgangsmåde til kompostering af fugtigt organisk materiale i en bioreaktor af indledningsvis nævnte art, som er ejendommelig ved, at 15 det organiske materiale lægges i en bakke med ristbund, som placeres oven på en stabel bakker, der står i en lodret skakt i en bioreaktor med en eller flere skakter, at den enkelte bakke transporteres et trin ned gennem skakten, når der udtages en bakke med kompost fra neden, og at stablen af 20 bakker i den enkelte skakt beluftes dels ved tilførsel af komposteringsluft gennem en studs i et lukket rum under den nederste bakke og dels ved fraførsel af komposteringsluft gennem en studs i et lukket rum over den øverste bakke.

25 Hermed opnås en effektiv kompostering med en meget høj nedbrydningshastighed, fordi der som følge af reaktorens minimale konduktion og den aktive modstrømsbeluftning kan komposteres organisk materiale med et relativt højt vandindhold. Konduktionen er minimal, fordi reaktoren er isoleret 30 og meget kompakt. Reaktoren er meget kompakt, dels fordi der ikke er låg på bakkerne, dels fordi bakkerne kan stables i betydelig højde, og dels fordi afstanden mellem skakter er , minimal.

35 Transporten af bakker gennem reaktoren er meget simpel, idet tyngdekraften udnyttes. Bakkerne har en simpel konstruktion i forhold til containere, da bakkerne er uden låg og rørføringer. Derudover er det let at anvende bakkerne i forhold til containere, da bakkerne ikke har de ulemper som 40 er forbundet med låg og rørføringer.

DK 174691 B1 6

Gennem studsen under den nederste bakke i den enkelte skakt kan der tilføres komposteringsluft med en bestemt tilstand og kemisk sammensætning. Med fraførslen af komposteringsluft gennem studsen over den øverste bakke i den enkelte skakt 5 styres luftflowet gennem stablen af bakker, og udsugningen gør det muligt at behandle den fraførte luft.

Ved en særlig udførsel af fremgangsmåden blandes den fraførte komposteringsluft med frisk luft, og en del af denne 10 luftblanding, svarende til mængden af fraført komposteringsluft, tilføres komposteringsreaktoren gennem studsen under den nederste bakke. Denne fremgangsmåde sikrer tilførsel af oxygen til komposteringen med den friske luft.

15 Ved opfindelsen tilvejebringes endvidere en isoleret bioreaktor til brug ved fremgangsmåderne ifølge opfindelsen. Bioreaktoren er ejendommelig ved, at den består af en til flere lodrette skakter, at der i den enkelte skakt står en stabel bakker med ristbunde, at der over den øverste bakke i 20 stablen er et lukket rum med studs til fraførsel af luft, at der under den nederste bakke i den enkelte stabel er et lukket rum til tilførsel af luft, og at den nederste bakke i stablen kan udtages fra neden.

25 Den enkelte bakke kan være udformet med vandrette plader omkring risten, hvor pladerne har en bredde på 5 til 30 cm, og slutter tæt mod beholderens sider. Med denne udformning undgår man, at der dannes luftkanaler op ad bakkens sider.

30 Ved en anden udformning af den enkelte bakke, har bakken koniske sider med en vinkel på 5 til 40° fortrinsvis 20° i forhold til lodret, således at bakkens indvendige bredde er størst for oven. De koniske sider modvirker dannelse af luftkanaler op ad bakkens sider, og derudover sikres en god 35 beluftning af det organiske materiale langs siderne. De koniske sider sikrer også, at bakken let tømmes for organisk materiale ved en simpel vending af bakken.

Den enkelte skakt i bioreaktoren kan være udformet med en 40 til flere holdeanordninger til at holde bakkerne over den DK 174691 B1 7 nederste bakke i skakten under udtagningen af den nederste bakke. Den enkelte holdeanordning kan være udformet som en pal, der kan aktiveres med en trykmekanisme og passiviseres af en fjeder. Holdeanordningerne/palerne gør det muligt at 5 udtage den nederste bakke i den enkelte skakt uden at påvirke de overliggende bakker. Det er ekstremt enkelt at aktivere og passivisere det enkelte pal med trykmekanismen og fjederen.

10 Den enkelte skakt i bioreaktoren kan være udformet med et låg inkl. studs på den øverste bakke, en bund inkl. studs under den nederste bakke og med pakninger dels mellem låget og den øverste bakke, dels mellem de enkelte bakker og dels mellem den nederste bakke og bunden. Derved vil låget, 15 bakkerne og bunden til sammen danner en bioreaktor.

Den enkelte skakt i bioreaktoren kan også være udformet som en lukket beholder med en lufttæt lem for oven til tilførsel af bakker, med en lufttæt lem for neden til udtagning af 20 bakker, med en til flere studse på skaktens side, og med pakninger mellem de enkelte bakker og skaktens sider. Hermed undgår man pakninger mellem bakkerne, og at luft strømmer vertikalt uden om de enkelte bakker. Gennem en til flere studse på siden af bakkerne kan der tilføres/fraføres af 25 luft for fx udtagning af luftprøver eller tilførsel af luft for optimering af processen.

Pakningerne mellem de enkelte bakker og skaktens sider kan være oppustelige elastiske membraner. Med denne udformning 30 sikres en effektiv tætning. Når bakkerne skal transporteres et trin ned gennem skakten tømmes luften ud af membranerne.

Hermed undgås friktion mellem membranerne og bakkerne under transporten.

35 Som nævnt angår opfindelsen også anvendelsen af reaktorerne og fremgangsmåderne. Opfindelsen skal primært anvendes til behandling af fugtigt organisk materiale med et tørstofindhold på 20 til 30 %.

DK 174691 B1 8

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser bioreaktoren ifølge opfindelsen med låg, bund 5 og pakninger mellem bakkerne fig. 2 viser den anden udformning af bioreaktoren ifølge opfindelsen med låger på siden og pakninger mellem bakker og skakt 10 fig. 3a viser en udførsel af en bakke med vandrette plader fig. 3b viser særlig udførsel af en bakke med koniske sider 15 Figur 1 viser udførsel af bioreaktoren med 1 skakt, låg, bund og pakninger mellem bakkerne. Denne bioreaktor består af en isoleret skakt 101 med syv bakker 102a - 102g, der indeholder organisk materiale. Oven på den øverste bakke 102a ligger et tæt låg 103 med en studs 104 til fraførsel af 20 luft. Den nederste bakke 102g er placeret på en tæt bund 105 med en studs 106 til tilførsel af luft.

Med bakkerne 102a - 102g, låget 103 og bunden 105 fremkommer en bioreaktor (lukket beholder), da der mellem enhederne er 25 lufttætte pakninger. En af pakningerne er på figuren markeret med nummer 107. Bakkerne 102a - 102g inkl. låget 103 og bunden 105 holdes på plads i skakten med paler 108. Den enkelte pal 108 er forsynet med en fjeder 109 og en trykmekanisme 110. Palen 108 aktiveres med trykmekanismen 110, 30 og palen 108 passiviseres af fjederen 109 når trykmekanismen 110 inaktiveres.

Bakkerne 102a - 102g transporteres et trin ned gennem skakten 101 ved at udtage den nederste bakke 102g fra neden.

35 Dette gøres i praksis ved 1) at løfte bakkerne 102a- 102g inkl. låget 103 og bunden 105 lidt, 2) passivisere palerne 108, 3) sænke bakkerne 102a - I02g inkl. Låget 103 og bunden 105 - indtil den næst nederste bakke 102f er lige over palerne 107, 4) aktivere palerne 108, 5) sænke den nederste 40 bakke 102g og bunden 105, 6) fjerne den nederste bakke 102g, DK 174691 B1 9 og 7) løfte bunden 105 op over palerne 108. Når bakkerne er transporteret et trin ned gennem skakten 101 tilføres en ny bakke ved at løfte låget 103.

5 I den nye bakke er der frisk organisk materiale og som følge af komposteringen og transporten af bakkerne ned gennem skakten vil den nederste bakke indeholde fugtig kompost.

Komposteringsluften strømmer fra studsen 106 op gennem 10 stablen af bakker 102a - 102g og videre ud gennem studsen 104. Ved luftens gennemstrømning af bakkerne 102a - 102g sker der som følge af komposteringen den ønskede opvarmning af luften og stigning i luftens vandindhold, samt afgivelse af oxygen og optagelse af carbondioxid.

15

Figur 2 viser udformningen af bioreaktoren med låger på siden og pakninger mellem bakker og skakt. Denne bioreaktor består af en lukket isoleret skakt 201, hvor ti bakker 202a - 202j med organisk materiale er stablet oven på hinanden.

20 Mellem bakkerne kan luften strømme ud i luftrummet mellem bakkerne og skaktens indvendige sider. Mellem den enkelte bakke 202a - 202j og siderne på skakten er der placeret pakninger som forhindrer luften i at strømme vertikalt uden om bakkerne 202a - 202j. En af pakningerne er på figuren 25 markeret med nummer 203.

Øverst på siden af skakten 201 er anbragt en studs 206 til udsugning af varm komposteringsluft. Mellem bakken 202e og bakken 202f er der på siden af skakten 201 en studs 207 for 30 tilførsel/fraførsel af luft. Mellem bakken 202h og bakken 202i er der også anbragt en studs 208 for tilførsel/ fraførsel af luft.

35 Bakkerne transporteres et trin ned gennem skakten 201 ved at åbne en lufttæt lem 204 nederst på siden af skakten 201 og trække den nederste bakke 202j ud. Derefter tilføres en ny bakke med organisk materiale gennem en lufttæt lem 205 øverst på siden af skakten 201.

40 DK 174691 B1 10

Figur 3a viser en udformning af en bakke 301a, med lodrette sider, en ristbund 302a og en vandret plade 303 rundt om ristbunden 302a. Pladen 303- er tætnet mod bakkens sider.

5 Figur 3b viser en særlig udformning af en bakke 301b med en ristbund 302b og koniske sider med en vinkel a i forhold til lodret.

Claims (12)

1 Fremgangsmåde til kompostering af fugtigt organisk materiale i en isoleret kontinuerlig aerob bioreaktor med 5 lodret komposteringsprofil, modstrømsbeluftning og bakker til det organiske materiale, kendetegnet ved, at det organiske materiale lægges i en bakke med ristbund, som placeres oven på en stabel bakker, der står i en lodret '' skakt i en' bioreaktor med en eller flere skakter, at den 10 enkelte bakke transporteres et trin ned gennem skakten, når der udtages en bakke med kompost fra neden, og at stablen af bakker i den enkelte skakt beluftes dels ved tilførsel af i· ' komposteringsluft gennem en studs i et lukket rum under den nederste bakke og dels ved fraførsel af komposteringsluft 15 gennem en studs i et lukket rum over den øverste bakke.

2 Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den fraførte komposteringsluft blandes med frisk luft, og at en del af denne luftblanding, svarende til mængden af 20 fraført komposteringsluft, tilføres komposteringsreaktoren gennem studsen under den nederste bakke.

3 Aerob, isoleret og kontinuerlig bioreaktor til brug ved udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1 til 2, k e n d e t 25 egnet ved, at den består af en til flere lodrette skakter, at der i den enkelte skakt står en stabel bakker med ristbunde, at der over den øverste bakke i stablen er et lukket rum med en studs til fraførsel af luft, at der under den nederste bakke i stablen er et lukket rum til tilførsel 30 af luft, og at den nederste bakke i stablen kan udtages fra >, neden.

4 Aerob bioreaktor ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den enkelte bakke er udformet med vandrette plader 35 omkring risten, at pladerne har en bredde på 5 til 30 cm, og at pladerne slutter tæt mod beholderens sider.

5 Aerob bioreaktor ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den enkelte bakke har koniske sider med en vinkel på 40. til 40° fortrinsvis 20° i forhold til lodret, således at 12 DK 174691 B1 bakkens indvendige bredde er størst for oven.

6 Aerob bioreaktor ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den enkelte skakt er udformet med en til flere holdeanordninger, der holder bakkerne over den nederste 5 bakke i skakten under udtagningen af den nederste bakke.

7 Aerob bioreaktor ifølge krav 6, k endete g n e t ved, at den enkelte holdeanordning er udformet som en pal, der kan aktiveres med en trykmekanisme og passi- 10 viseres af en fjeder.

8 Aerob bioreaktor ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den enkelte skakt i bioreaktoren er udformet med et låg incl. studs på den øverste bakke, en bund inkl. studs under 15 den nederste bakke og med pakninger dels mellem låget og den øverste bakke, dels mellem de enkelte bakker og dels mellem den nederste bakke og bunden.

9 Aerob bioreaktor ifølge krav 3, kendetegnet ved, 20 at den enkelte skakt i bioreaktoren er udformet som en lukket beholder med en lufttæt lem for oven til tilførsel af bakker, med en lufttæt lem for neden til udtagning af bakker, med en til flere studse på siden af skakten, og med pakninger mellem de enkelte bakker og skaktens sider. 25

10 Aerob bioreaktor ifølge krav 9, kendetegnet ved, at pakningerne mellem de enkelte bakker og skaktens sider er oppustelige elastiske membraner. 30

11 Anvendelsen af fremgangsmåder ifølge ethvert af kravene 1-2 til behandling af organisk materiale, fortrinsvis fugtigt organisk materiale med et tørstof-indhold på 20 til 30 %. 35

12 Anvendelsen af en bioreaktor ifølge ethvert af kravene 3-10 til behandling af organisk materiale, fortrinsvis fugtigt organisk materiale med et tørstof-indhold på 20 til 30 %. 40