EP1907139A1 - Verfahren und anlage zur mehrstufigen hydrolyse fester biogener rohstoffe - Google Patents

Verfahren und anlage zur mehrstufigen hydrolyse fester biogener rohstoffe

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EP1907139A1
EP1907139A1 EP06761833A EP06761833A EP1907139A1 EP 1907139 A1 EP1907139 A1 EP 1907139A1 EP 06761833 A EP06761833 A EP 06761833A EP 06761833 A EP06761833 A EP 06761833A EP 1907139 A1 EP1907139 A1 EP 1907139A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrolysis
raw materials
hydrolyzate
percolators
methane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06761833A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Busch
Jochen Grossmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Original Assignee
Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH filed Critical Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Publication of EP1907139A1 publication Critical patent/EP1907139A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/50—Treatments combining two or more different biological or biochemical treatments, e.g. anaerobic and aerobic treatment or vermicomposting and aerobic treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F17/00—Preparation of fertilisers characterised by biological or biochemical treatment steps, e.g. composting or fermentation
    • C05F17/90—Apparatus therefor
    • C05F17/964—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors
    • C05F17/971—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors for feeding or discharging materials to be treated; for feeding or discharging other material
    • C05F17/979—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors for feeding or discharging materials to be treated; for feeding or discharging other material the other material being gaseous
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
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    • C05F17/90—Apparatus therefor
    • C05F17/964—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors
    • C05F17/971—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors for feeding or discharging materials to be treated; for feeding or discharging other material
    • C05F17/986—Constructional parts, e.g. floors, covers or doors for feeding or discharging materials to be treated; for feeding or discharging other material the other material being liquid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/06—Means for pre-treatment of biological substances by chemical means or hydrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y02P20/145—Feedstock the feedstock being materials of biological origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/40—Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse

Definitions

  • the invention relates to a process and a plant for the multistage hydrolysis of solid biogenic raw materials by percolation with subsequent production of biogas exclusively from the hydrolyzate.
  • biodegradable substances The degradation of biodegradable substances (hereinafter referred to as biogenic substances) during operations in biogas plants takes place in several successive biochemical substeps in an aqueous environment.
  • biogenic substances The degradation of biodegradable substances (hereinafter referred to as biogenic substances) during operations in biogas plants takes place in several successive biochemical substeps in an aqueous environment.
  • water-soluble components are dissolved out of the solid biogenic substances.
  • non-water-soluble biogenic substances are decomposed into water-soluble, generally low molecular weight substances by several types of extracellular enzymes which are produced by different microorganisms. Enzymes can also be added as so-called foreign enzymes to accelerate or facilitate certain degradation processes.
  • Hydrolysis bacteria and enzymes are mainly in the aqueous solution, but can also be located on solid surfaces.
  • these substances formed in the hydrolysis or converted into the aqueous solution are converted into various organic acids (lower fatty acids, amino acids), which are then converted into acetic acid in the third partial step (acetogenesis).
  • the acetic acid is then degraded in the methanogenesis (4th sub-step) using methane bacteria to methane and carbon dioxide.
  • the sub-steps of hydrolysis and acidogenesis (first stage) of the sub-steps acetogenesis and especially methanogenesis (second stage) are separated apparatus and process technology.
  • first stage the first stage of the two-stage biogas process
  • second stage the second stage as a methane stage.
  • the aqueous solution leaving the hydrolysis is commonly referred to as hydrolyzate. In the following, this simplistic language is also used.
  • hydrolysis is considered to be an intensity limiting step.
  • the percolators are operated in parallel, ie the hydrolyzate of each percolator is passed, possibly via an intermediate buffer, into the methane reactor.
  • the output of the percolators By superimposing the output of the percolators, whose contents each have different residence times, one expects a homogenization of the hydrolyzate quality and quantity and thus also of the resulting methane gas. (Fig. 1). It is known that the biochemical conversion in the hydrolysis immediately after the entry of fresh input material is very high, since first the rapidly degradable substances are degraded. At this stage, therefore, a very rapid increase in the hydrolysis bacteria takes place, which is also associated with the increased production of enzymes.
  • DE 199 37 876 C2 discloses a process for the biological conversion of organic substances to methane gas, in which organic wastewaters, but no solids, are hydrolyzed. The hydrolyzate is recycled, with an increase in the concentration of hydrolysis bacteria by membrane filtration and recycling of the filter residue. The injection of air is used as a measure for the targeted growth of (aerobic) acidifiers.
  • DE 199 09 353 A1 describes a process and a plant for processing a mixture of substances contained in an organism.
  • the solid obtained serves as an inoculation material used to initiate the hydrolysis process in the fresh material, but not to increase the concentration.
  • the process disclosed in DE 40 00 834 A1 is suitable only for pumpable substrates, process and plant are not technically suitable for predominantly solid biogenic raw materials.
  • the biogenic material passes through the hydrolysis as a total material flow, larger solid particles are withdrawn directly from the hydrolysis tanks and led to digestion, a multi-stage digestion is therefore not possible for the solid fraction.
  • the recirculation of sludge takes place only from the overflow of the hydrolysis and is only limited possible because otherwise the throughput of fresh material is reduced too much by the hydrolysis.
  • DE 198 46 336 A1 comprises many variants for a waste treatment, which include, inter alia, a two-stage hydrolysis.
  • this two-stage nature is due to the tasks of mechanical material flow separation to be solved because the hydrolysis apparatus flows continuously through the material stream of the biogenic material, in this case "waste in particular.”
  • This is characterized, inter alia, by mechanical transport facilities for the biogenic material is thus only several hours, a maximum of a few days.
  • the object is achieved by a process for the multistage hydrolysis of solid biogenic substances in which a plurality of solid biogenic raw materials are hydrolysed in a time-shifted manner, the drolysate being discharged from the fresher quantity being fed to the next-largest amount as percolation liquid.
  • the solution according to the invention is particularly applicable to biogas plants and processes, which are characterized by a separate hydrolysis stage before the actual biogas production stage (Methansrufe) and use the solid biogenic raw materials as the main feedstock (primary energy source).
  • biogenic waste and waste mixtures can be used, provided that they have a percolation permeability sufficient for the percolation process for the percolate (ie a permeability). This permeability can also be achieved by the addition of structural materials that may be reusable.
  • the technical measure which serves to achieve the objective of the invention the material flow of the hydrolyzate in the percolation process in a kind of series connection via each spatially delimited subsets of present in homogeneous bed biogenic input material.
  • several quantities of solid biogenic raw materials but also portions of the biogenic raw materials can be hydrolyzed with a time offset.
  • at least two, but more preferably three or more, approximately equal amounts or partial amounts of input material are required.
  • the hydrolysis process is started at different times, the time interval of the beginning of the process is determined as follows: Total duration of the hydrolysis process (biochemically required period up to which most of the organically degradable substance has been released from the solid biogenic input material so that the hydrolysis process can be stopped)
  • the material flow guide is characterized in that the newly introduced into the process amount of biogenic raw material is percolated with liquid that has only a low concentration of organically degradable solutes, but hydrolysis bacteria and enzymes and a high nutrient concentration (eg., Liquid from the process the methane level).
  • the rapidly biodegradable substances present in fresh biogenic raw material lead to a rapid multiplication of hydrolysis bacteria and a corresponding increase in the enzyme concentration and the concentration of organic acids.
  • the running of this fresh amount hydrolyzate is now fed to the next older amount as percolation liquid, the expiring of this amount hydrolyzate turn the next older, etc.
  • This material flow guidance ensures that the high concentration of hydrolysis bacteria and enzymes in fresh input material is still available for the hydrolysis process of older input material, so that a much more efficient degradation of the less degradable organic substance is possible.
  • the high acid potential (low pH value) from the hydrolyzate of the fresh input subset also ensures a low pH value in the case of percolation of the subsequent subsets.
  • This inhibits methane formation, which, on the one hand, ensures a consistent separation between the hydrolysis and the methane stage and, on the other hand, ensures that the enzymes that are important for the hydrolysis are not prematurely decomposed by methane bacteria, which could reduce their concentration.
  • percolators are used, which can be constructed identically and each of which can be equipped with a corresponding buffer. These percolators are now operated in a series circuit, wherein the percolate flow is conducted in quasi-direct current. The percolators are filled or emptied in regular operation with a time interval, so that in the overall process both fresh input material as well as those with a longer residence time, d. H. Already treated with hydrolyzate material - here referred to as older material - finds.
  • the access of air is made possible in the hydrolysis step.
  • the acetogenic and methanogenic bacteria which are usually in the methane stage, contribute significantly to reducing the effectiveness of the enzymes formed by the hydrolysis bacteria.
  • the presence or activity of these methane-forming bacteria in the hydrolysis step must therefore be avoided in order to maintain a high concentration of the enzymes.
  • the methane-forming bacteria in the presence of (air) oxygen adjust their activity and possibly killed.
  • the access of air is made possible in the hydrolysis step.
  • the hydrolyzate storage containers and also the percolators can be aerated by blowing in air.
  • the supply of atmospheric oxygen can also be carried out according to claim 4 by the aeration of the recirculated to the hydrolysis process from the Methanement.
  • biogas production from renewable raw materials eg cereal crops, which in chopped form the As a boundary condition
  • these feedstocks are usually only harvested in a short period of time during one year.
  • these substances are usually stored in durable form (silage) in appropriate storage areas.
  • an alternative embodiment of the method is to use the storage areas required for temporary storage of these feedstocks directly percolation / hydrolysis.
  • part of the material stored in the storage area (defined zones, each with separate collection of seep liquid) is directly charged with percolate.
  • the percolate is buffered in one or more buffer stores and can thus be fed several times to the feedstock.
  • a partial stream is discharged directly to the biogas reactor according to the basic method described above.
  • the irrigation system is made locally variable (for example, by the targeted activation of individual irrigation openings or by the design as a movable / displaceable irrigation system).
  • the percolation of the respective partial surface of the storage area is started with a time delay, so that different degradation states result in the individual subareas of the storage area.
  • a homogenization of Perkolat supplements and thus the biogas production in the subsequent methane reactor can be achieved.
  • the percolate of the last merged into the percolation operation partial area is applied to a previously passed into the percolation operation partial area with the aim of achieving better degradation of the starting materials.
  • the material flow guidance is thus comparable to the material flow guidance when using percolators in series connection.
  • the object is achieved by a system for the multistage hydrolysis of solid biogenic raw materials with a plurality of hydrolysis devices for producing biogas, in which the hydrolysis devices are connected with quantities of biogenic raw materials such that they are operable offset in time and the hydrolyzate which runs from a hydrolyzer having a fresh amount is respectively supplied to the hydrolysis device having the next-highest amount as percolation liquid.
  • the hydrolysis devices are connected according to an advantageous embodiment of the invention with a drain of a methane reactor.
  • the storage volume located after the drain has a device for supplying air.
  • the device for supplying air may also be arranged elsewhere in the connection between drain and hydrolysis devices. This facility ensures that vented effluent of the methane reactor can be used as percolate or percolate additive for the hydrolysis of fresh quantities of biogenic raw materials.
  • the hydrolysis devices with associated reservoirs and pump wells have means for supplying air.
  • the hydrolysis devices have means for removing air and gas which develops during the hydrolysis.
  • the hydrolysis devices are percolators with a sprinkler device and a device for solid / liquid separation.
  • the percolators have a temporary storage for the hydrolyzate or the percolators are followed by a buffer for the hydrolyzate.
  • the percolators are connected in such a way that the hydrolyzate proceeding from a fresher quantity is supplied in each case to the next-highest quantity as percolation liquid.
  • a plurality of percolators are used, which can be constructed identically and each of which percolator is provided with a corresponding buffer (eg. larger shaft at the outlet of the percolator) can be equipped.
  • These percolators are now operated in a series circuit, wherein the percolate flow is conducted in quasi-direct current.
  • the percolators are filled or emptied in regular operation with a time interval, so that in the overall process both fresh input material as well as those with longer residence time - referred to here as older material - finds.
  • the cargo of hydrolyzed organic substances, which are then passed into the methane stage after the last percolate stage - possibly after buffer storage - increases accordingly, so that the economy of the process improves because of the higher specific yield of biogenic raw materials.
  • concentration of organic substances in the hydrolyzate increases from stage to stage (see Fig. 3). This increases the specific gas yield of the methane reactor, which can now be built smaller. In addition, the amount of liquid in circulation decreases.
  • a single pump shaft is used for all percolators (in Fig. 2 eg 3 percolators).
  • the stepped material flow guide is achieved by the fact that the inlet to the pump shaft via a valve control at the end of the buffer only one percolator and accordingly at a certain time only the spraying with hydrolyzate takes place only in a percolator. After a set period of time is the percolation is interrupted, the inlet valve of the next buffer is opened and the percolation is switched over to the next corresponding assigned percolator. The effluent of the percolator with the oldest material is directed to the reservoir, from which the highly enriched hydrolyzate is metered into a methane stage.
  • mobile percolators can be used with stationary or movable sprinkler.
  • a further advantageous embodiment of the plant according to the invention consists in using the flax silos required for intermediate storage of the feedstocks (for example maize silage) directly for percolation / hydrolysis.
  • the feedstocks for example maize silage
  • each part of the material stored in the flax silo is directly exposed to percolate.
  • the percolate is buffered in one or more buffer stores and can thus be fed several times to the feedstock.
  • a partial stream is discharged directly to the biogas reactor according to the basic method described above.
  • the irrigation system is made locally variable (for example, by the targeted control of individual sprinkler openings or by the design as a movable / movable sprinkler system).
  • the percolation of the respective zone in the storage area is started with a time delay, resulting in different degradation states in the individual zones.
  • a homogenization of Perkolat supplement and thus the biogas production in the subsequent methane reactor can be achieved.
  • FIG. 2 flow diagram of an example plant with 3 percolators
  • FIG. 2 shows a flow diagram of a plant for the production of biogas with 3 percolators H1 to H3 and a methane reactor R.
  • the percolators H1 to H3 have the same structure, are lined with an acid-proof lining and can be loaded and unloaded using conventional technology, for example wheel loaders.
  • the percolators H1 to H3 each have a sprinkler for the supply of percolate and in each case a sieve plate, which allows a solid / liquid separation of the hydrolyzate from the fixed bed.
  • the percolators H1 to H3 are each followed by a buffer ZW1 to ZW3, which collects the hydrolyzate leaving the fixed bed.
  • the percolators H1 to H3 are connected via a collecting air line with a biofilter BF for exhaust air removal and purification and odor neutralization.
  • the latches ZWl to ZW3 are connected via valves with controllable and lockable connection lines with the pump shaft Pl.
  • the pump shaft Pl is connected to the sprinkler systems of the percolators H1 to H3 and to a reservoir S1.
  • the hydrolyzate collecting in the pump shaft with pump P1 can be equipped with a heat exchanger W1 (for setting the optimum temperature for the hydrolysis process) Connecting line the respective sprinkler systems of percolators Hl to H3 are supplied as percolate.
  • Memory Sl is connected to the methane reactor Rl for biogas production. Via this connecting line, the methane reactor can be supplied with the aid of the pump P2 hydrolyzate. In the heat exchanger W2 the optimum temperature for the methane production of the hydrolyzate is set.
  • hydrolyzate from the reservoir Sl by means of the pump P3 via the heat exchanger Wl again be supplied to the percolators, z. B. if the hydrolyzate has not yet reached the optimum concentration of organic matter.
  • Memory S2 allows the intake of effluent from the methane reactor Rl.
  • Memories Sl and S2 each have a means for supplying air.
  • Vented drain can be supplied via a connecting line from the reservoir S2 by means of the pump P4 the sprinkler of the percolator with fresh biogenic raw material.
  • the valve control associated with the connection line allows a corresponding supply line.
  • Buffer, pump shaft and memory Sl and S2 have a sludge outlet.
  • Excess liquid produced in the overall process is discharged from the container S2 and can be filled into tank trucks by means of pump P5 and utilized externally (preferably as fertilizer for closing nutrient cycles).
  • the plant of Fig. 2 operates as follows:
  • the percolators Hl to H3 are filled at different times with biogenic raw materials. For example, percolator H3 may have the oldest charge, percolator H2 may have the next charge, and percolator H1 may just have been refilled.
  • the aerated discharge from the methane reactor Rl is fed via the sprinkler system to the percolator Hl filled with fresh input material.
  • This percolate has only a low concentration of degradable organic matter, but enzymes, hydrolysis bacteria and in particular nutrients.
  • the effluent from the fixed bed of percolator Hl hydrolyzate is collected in the buffer ZWl, fed to the pump shaft Pl and fed from there via the connecting line and a heat exchanger of the sprinkler system of the percolator H2.
  • the hydrolyzate passing through the fixed bed is collected in the buffer ZW2 and, after the pump shaft P 1 has been emptied, transferred to it.
  • the hydrolyzate collected in the pump shaft Pl is supplied to the sprinkler system of the percolator H3 via the corresponding connecting line with associated heat exchanger, collected after passing through the fixed bed in the buffer ZW3 and, after emptying the pump shaft, transferred to the storage device S1 for forwarding. From the storage 1, the enriched percolation liquid can then be fed to the methane reactor Rl.
  • Fig. 3 shows a scheme of the inventive solution based on 3-stage current control of the hydrolyzate as shown in Scheme Fig. 2.
  • oTS organic dry matter

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur mehrstufigen Hydrolyse fester biogener Rohstoffe mit Perkolatoren (Hl, H2, H3) mit anschließender Erzeugung von Biogas (Rl) ausschließlich aus dem Hydrolysat. Erfindungsgemäß werden dazu mehrere Mengen fester biogener Rohstoffe zeitlich versetzt hydrolysiert, wobei das von der frischeren Menge ablaufende Hydrolysat jeweils der nächstälteren Menge als Perkolat zugeführt wird. Die Anlage umfasst mehrere Hydrolyseeinrichtungen, vorzugsweise Perkolatoren.

Description

Verfahren und Anlage zur mehrstufigen Hydrolyse fester biogener Rohstoffe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur mehrstufigen Hydrolyse fester biogener Rohstoffe durch Perkolation mit anschließender Erzeugung von Biogas ausschließlich aus dem Hydrolysat.
Der Abbau biologisch abbaubarer Stoffe (im folgenden als biogene. Stoffe bezeichnet) während der Vorgänge in Biogasanlagen erfolgt in mehreren aufeinanderfolgenden biochemischen Teilschritten in wässriger Umgebung. Im ersten Teilschritt (Hydrolyse) werden wasserlösliche Bestandteile aus den festen biogenen Stoffe herausgelöst. Des Weiteren werden durch mehrere Arten extrazellulärer Enzyme, die von verschiedenen Mikroorganismen erzeugt werden, nicht wasserlösliche biogene Stoffe in wasserlösliche, in der Regel niedermolekulare, Stoffe zersetzt. Enzyme können auch als so genannte Fremdenzyme zugesetzt werden, um bestimmte Abbauvorgänge zu beschleunigen oder zu ermöglichen. Hydrolysebakterien und Enzyme befinden sich dabei hauptsächlich in der wässrigen Lösung, können aber auch an festen Oberflächen angesiedelt sein.
In der biochemisch folgenden Acidogenese (zweiter Teilschritt) werden diese in der Hydrolyse gebildeten bzw. in die wässrige Lösung überführten Stoffe in verschiedene organische Säuren (niedere Fettsäuren, Aminosäuren) gewandelt, die dann im dritten Teilschritt (Acetogenese) in Essigsäure umgewandelt werden. Die Essigsäure wird dann in der Methanogenese (4. Teilschritt) mit Hilfe von Methanbakterien zu Methan und Kohlendioxid abgebaut.
Diese Vorgänge finden in einstufigen Biogasanlagen parallel statt. Es ist bekannt, dass das Verhältnis der Konzentrationen der verschiedenen Zwischenprodukte der oben erwähnten Prozessstufen Aussagen über die Stabilität ermöglicht und somit zur Steuerung des Biogasverfahrens herangezogen werden kann. Weiterhin ist grundsätzlich bekannt, dass die in der acidogenen und acetogenen Phase erzeugten Säuren den pH-Wert herabsetzen. Da die Mikroorganismen der Methanstufe nur in der Nähe des pH- Wertes 7 (neutraler Bereich) existieren und somit Biogas bilden können, besteht in Biogasanlagen grundsätzlich die Gefahr der Versäuerung, gekennzeichnet durch das Absterben oder die Inhibierung der Methanbakterien und dem Absinken des pH- Wertes, und damit des Prozessversagens. Ein stabiles Prozessgleichgewicht wird dann erreicht, wenn die Produktion der Säuren gleich deren Verbrauch ist.
In zweistufigen Verfahren werden die Teilschritte Hydrolyse und Acidogenese (erste Stufe) von den Teilschritten Acetogenese und insbesondere Methanogenese (zweite Stufe) apparate- und prozesstechnisch getrennt. Dadurch wird eine bessere Steuerbarkeit und eine höhere Stabilität des Verfahrens erreicht. Im üblichen Sprachgebrauch wird die erste Stufe des zweistufigen Biogasverfahrens häufig nur als Hydrolyse und die zweite Stufe als Methanstufe bezeichnet. Die die Hydrolyse verlassende wässrige Lösung wird gemeinhin als Hydrolysat bezeichnet. Im Folgenden wird diese vereinfachende Sprachweise ebenfalls genutzt.
Wissenschaftliche Untersuchungen und praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass die Methanbakterien der Methanstufe hochproduktiv sind und eine große Stoffmenge der Hydrolyseprodukte in Biogas umwandeln können. Für die Wirksamkeit, d. h. für die Geschwindigkeit der Umwandlung der abbaubaren organischen Substanz von festen biogenen Inputstoffen zu flüssigem Hydrolysat sowie für die Biogasproduktivität einer Biogasanlage, wird die Hydrolyse als intensitätslimitierende Stufe angesehen.
Es ist bekannt, dass die Wirksamkeit der Hydrolyse von der Menge bzw. Konzentration sowie der Art der Hydrolysebakterien und der von ihnen gebildeten extrazellulären Enzyme abhängt. Weiterhin spielen optimale Milieubedingungen (Temperatur, Nährstoffverfügbarkeit) eine Rolle.
Üblicherweise werden die Perkolatoren parallel betrieben, d. h. das Hydrolysat jedes Perkolator wird, ggf. über eine Zwischenpufferung, in den Methanreaktor geleitet. Durch die Überlagerung des Outputs der Perkolatoren, deren Inhalt jeweils verschiedene Verweilzeiten hat, erwartet man eine Vergleichmäßigung der Hydrolysatqualität und -quantität und somit auch des entstehenden Methangases. (Fig. 1). Es ist bekannt, dass die biochemische Stoffumwandlung in der Hydrolyse unmittelbar nach dem Eintrag von frischem Inputmaterial sehr hoch ist, da zunächst die schnell abbaubaren Stoffe abgebaut werden. In dieser Phase findet daher auch eine sehr rasche Vermehrung der Hydrolysebakterien statt, was auch mit der verstärkten Produktion von Enzymen einhergeht. Nach dem Abbau der schnell abbaubaren Stoffe verlangsamt sich die Intensität der biochemischen Stoffumwandlung, weil dann zunehmend nur noch schwerer abbaubare Stoffe zur Verfügung stehen. Gleichzeit nimmt aber, bedingt durch die begrenzte Lebenszeit der Hydrolysebakterien und durch die ständige Abführung eines Hydrolysat-Teilstroms in die Methanstufe, auch die Konzentration der Hydrolysebakterien und der Enzyme ab. Infolgedessen wird der Abbau schwer äbbaubarer Stoffe weiter vermindert. In der Praxis muss dieser Abbau aus ökonomischen Gründen dann abgebrochen werden, was mit einem Verlust an Biogasertrag einhergeht.
DE 199 37 876 C2 offenbart ein Verfahren zur biologischen Umsetzung von organischen Stoffen zu Methangas, bei dem organische Abwässer, aber keine Feststoffe, hydrolysiert werden. Das Hydrolysat wird im Kreislauf geführt, wobei eine Konzentrationserhöhung von Hydrolysebakterien durch Membranfiltration und Rückführung des Filterrückstandes erfolgt. Das Einblasen von Luft wird als Maßnahme zum gezielten Wachstum von (aerobischen) Säurebildnern genutzt.
DE 199 09 353 Al beschreibt ein Verfahren und eine Anlage zur Aufbereitung eines Organik enthaltenen Stoffgemisches. Dabei gewonnener Feststoff dient als Animpfmaterial dient zur Initiierung des Hydrolyseprozesses im frischen Material, nicht aber zur Konzentrationserhöhung.
Das in DE 40 00 834 Al offenbarte Verfahren eignet sich nur für pumpfähige Substrate, Verfahren und Anlage sind für überwiegend feste biogene Rohstoffe technisch nicht geeignet. Das biogene Material durchläuft als Gesamtstoffstrom die Hydrolyse, größere feste Partikel werden aus den Hydrolysebehältern direkt abgezogen und zur Nachfaulung geführt, ein mehrstufiger Aufschluss ist für die feste Fraktion somit nicht möglich. Die Rückführung von Schlamm erfolgt nur aus dem Überlauf der Hydrolyse und ist nur begrenzt möglich, weil ansonsten der Durchsatz frischen Materials durch die Hydrolyse zu stark reduziert wird.
DE 198 46 336 Al umfasst viele Varianten für eine Abfallbehandlung, die u. a. auch eine zweistufige Hydrolyse beinhalten. Diese Zweistufigkeit ist aber bedingt durch die damit zu lösenden Aufgaben der mechanischen Stoffstromtrennung, weil die Hydrolyseapparate kontinuierlich vom Stoffstrom des biogenen Materials, hier: „Insbesondere Abfälle" durchströmt werden. Kennzeichnen dafür sind u. a. mechanische Transporteinrichtungen für das biogene Material. Die Verweilzeit in den Hydrolyseapparaten beträgt damit nur mehrere Stunden, maximal wenige Tage. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage für die Hydrolyse fester biogener Rohstoffe zur Erzeugung von Biogas zu schaffen, bei denen eine möglichst hohe Konzentration von Hydrolysebakterien und Enzymen unter für die Hydrolyse optimalen Bedingungen auf die biogenen Rohstoffe einwirken, ein hoher Abbaugrad der organischen Substanz in den biogenen Rohstoffen in möglichst kurzer Zeit erreicht und die Entstehung von Methan in der Hydrolysestufe vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur mehrstufigen Hydrolyse fester biogener Stoffe gelöst, bei dem mehrere Mengen fester biogener Rohstoffe zeitlich versetzt hydrolysiert werden, wobei dass von der frischeren Menge ablaufende Hy drolysat jeweils der nächstälteren Menge als Perkolationsfiüssigkeit zugeführt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ist speziell für Biogasanlagen und -prozesse anwendbar, welche durch eine gesonderte Hydrolysestufe vor der eigentlichen Biogaserzeugungsstufe (Methansrufe) gekennzeichnet sind und die feste biogene Rohstoffe als Haupteinsatzstoff (Primärenergieträger) verwenden.
Als feste biogene Rohstoffe können alle durch Hydrolyse abbaubaren Stoffe pflanzlicher und tierischer Herkunft, biogene Abfälle und Abfallgemische eingesetzt werden, sofern sie eine für den Perkolationsprozess ausreichende Durchlässigkeit für das Perkolat (also eine Permeabilität) aufweisen. Diese Durchlässigkeit kann auch durch den Zusatz von Strukturmaterialien erreicht werden, die ggf. wiederverwendbar sind.
Die technische Maßnahme, welche zum Erreichen der Zielstellung der Erfindung dient, ist die Stoffstromführung des Hydrolysats im Perkolationsverfahren in einer Art Reihenschaltung über jeweils räumlich abgegrenzte Teilmengen des in homogener Schüttung vorliegenden biogenen Inputmaterials. Erfmdungsgemäß können mehrere Mengen fester biogener Rohstoffe aber auch Teilmengen der biogenen Rohstoffe zeitlich versetzt hydrolysiert werden. Für eine erfindungsgemäße Prozessführung sind mindestens zwei, besser jedoch drei oder mehr etwa gleich große Mengen oder Teilmengen Inputmaterial erforderlich.
Für die einzelnen Mengen oder Teilmengen wird der Hydrolyseprozess zeitlich versetzt begonnen, der zeitliche Abstand des Prozessbeginns ermittelt sich wie folgt: Gesamtdauer Hydrolyseprozess (biochemisch erforderlicher Zeitraum, bis zu welchem der größte Teil der organisch abbaubaren Substanz aus dem festen biogenen Inputstoff herausgelöst worden ist, so dass der Hydrolyseprozess abgebrochen werden kann)
geteilt durch
Anzahl der einzelnen Mengen bzw. Teilmengen.
Die Stoffstromführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die neu in den Prozess eingebrachte Menge des biogenen Rohstoffs mit Flüssigkeit perkoliert wird, die nur eine geringe Konzentration organisch abbaubarer gelöster Stoffe, jedoch Hydrolysebakterien und Enzyme sowie eine hohe Nährstoffkonzentration aufweist (z. B. Flüssigkeit aus dem Ablauf der Methanstufe). Die in frischem biogenen Rohstoff vorhandenen schnell abbaubaren Stoffe führen 2x1 einer schnellen Vermehrung von Hydrolysebakterien und zu entsprechender Zunahme der Enzymkonzentration und der Konzentration organischer Säuren. Das von dieser frischen Menge ablaufende Hydrolysat wird nun der nächstälteren Menge als Perkolationsflüssigkeit zugeführt, das von dieser Menge ablaufende Hydrolysat wiederum der nächstälteren usw.
Mit dieser Stoffstromführung wird erreicht, dass die in frischem Inputmaterial entstehende hohe Konzentration von Hydrolysebakterien und Enzymen auch für den Hydrolyseprozess älteren Inputmaterials noch zur Verfügung steht, so dass ein wesentlich effizienterer Abbau auch der schwerer abbaubaren organischen Substanz möglich wird.
Weiterhin wird erreicht, dass das hohe Säurepotenzial (niedriger pH- Wert) aus dem Hydrolysat der frischen Input-Teilmenge auch bei der Perkolation der nachfolgenden Teilmengen einen niedrigen pH- Wert sichert. Damit wiederum wird die Methanbildung gehemmt, was zum einen die konsequente Trennung zwischen Hydrolyse und Methanstufe sicherstellt, zum anderen dafür sorgt, dass die für die Hydrolyse wichtigen Enzyme nicht vorzeitig durch Methanbakterien abgebaut werden, wodurch sich deren Konzentration vermindern könnte.
Zur technischen Realisierbarkeit dieser Stromführung sind zwischen die zu perkolierenden Mengen entsprechende Puffervolumina zur Zwischenspeicherung des Hydrolysats geschaltet. Das Hydrolysat im Ablauf der letzten perkolierten Teilmenge (welche praktisch die Gesamtverweilzeit im Hydrolyseprozess fast erreicht hat) besitzt die maximale Konzentration gelöster organischer Stoffe und wird — ggf. nach einer Zwischenspeicherung — der Methanstufe zugeleitet.
Nach Patentanspruch 2 werden mehrere Perkolatoren genutzt, wobei das Hydrolysat eines mit einer frischeren Menge gefüllten Perkolators jeweils dem Perkolator mit der nächstälteren Menge gefüllten Perkolators als Perkolationsflüssigkeit zugeführt wird.
Dazu werden mehrere Perkolatoren verwendet, die identisch aufgebaut sein können und von denen jeder mit einem entsprechenden Zwischenspeicher ausgerüstet sein kann. Diese Perkolatoren werden nunmehr in einer Reihenschaltung betrieben, wobei der Perkolatstrom im Quasi-Gleichstrom geführt wird. Die Perkolatoren werden im Regelbetrieb mit zeitlichem Abstand gefüllt bzw. entleert, so dass sich im Gesamtprozess sowohl frisches Inputmaterial als auch solches mit längerer Verweilzeit, d. h. bereits mit Hydrolysat berieseltes Material - hier bezeichnet als älteres Material - findet.
Im Regelbetrieb wird das Hydrolysat aus dem ersten, mit frischem Inputmaterial gefüllten Perkolator nun nicht über den Hydrolysatspeicherbehälter unmittelbar der Methansrufe - wie bisher üblich - sondern dem zweiten mit älterem Material gefüllten Perkolator zugeführt. Weil dieses Hydrolysat nun noch eine hohe Konzentration an Hydrolysebakterien und Enzymen hat, wird der Abbau des biogenen Materials in dieser Stufe besser unterstützt als es ohne diese Teilstromführung möglich wäre. Dadurch wird im älteren biogenen Rohstoff ein höherer Abbaugrad der noch vorhandenen festen organischen Substanz und deren Überführung in gelöste organische Stoffe erreicht (z. B. Abbau von Hemizellulosen, Lignin und anderen schwerer abbaubaren Verbindungen). Das Hydrolysat aus dieser Stufe wird nun der nächsten zugeführt usw. In jeder Stufe erhöht sich die Konzentration der gelösten und bereits biochemisch umgewandelten Stoffe, die dann nach der letzten Perkolatstufe in die Methanstufe geleitet werden. Die insgesamt ausgetragene Fracht gelöster organischer Stoffe im Hydrolysat ist letztendlich wesentlich höher als bei der Parallelschaltung. Dadurch erhöht sich der spezifische Gasertrag aus dem biogenen Rohstoff. Außerdem vermindert sich durch die hohen Konzentrationen gelöster organischer Stoffe die im Umlauf befindliche Flüssigkeitsmenge. Als vorteilhafter Nebeneffekt dieser Quasi-Gleichstrom Reihenschaltung der Hydrolysatstufen tritt eine zeitliche Vergleichmäßigung der Konzentration des Hydrolysatstromes, der in die Methanstufe geleitet wird auf. Dadurch vermindert sich der Regelungs- oder Steuerungsaufwand, um die produzierte Gasmenge und die Gasqualität in der anschließenden Methanerzeugung konstant zu halten.
Gemäß Patentanspruch 5 wird in der Hydrolysestufe der Zutritt von Luft ermöglicht.
Es wurde gefunden, dass die azetogenen und methanogenen Bakterien, die sich üblicherweise in der Methanstufe befinden, wesentlich zur Verminderung der Wirksamkeit der von den Hydrolysebakterien gebildeten Enzyme beitragen. Die Anwesenheit bzw. Aktivität dieser methanbildenden Bakterien in der Hydrolysestufe muss daher vermieden werden, um eine hohe Konzentration der Enzyme aufrecht zu erhalten. Es ist weiterhin bekannt, dass die methanbildenden Bakterien bei Anwesenheit von (Luft-)Sauerstoff ihre Aktivität einstellen und ggf. abgetötet werden. Erfindungsgemäß wird in der Hydrolysestufe der Zutritt von Luft ermöglicht. Vorzugsweise können die Hydrolysatspeicherbehälter und auch die Perkolatoren durch Einblasen von Luft belüftet werden.
Somit werden die biochemische Aktivität und die Vermehrung der Methanbakterien vermindert oder vermieden.
Die Zuführung und als Konsequenz auch die Abführung von Luft führt zu einer gasseitig offenen Betriebsweise der Hydrolyse. Es ist bekannt, daß in der Hydrolyse etwa 50 % des im Gesamtprozess gebildeten Kohlendioxids entsteht. Dieses Kohlendioxid wird mit der ggf. eingetragenen Luft und sich bei der Hydrolyse entwickelnden anderen Gasen nun durch die Betriebsführung entsprechend Patentanspruch 6 abgeführt (ggf. mit Behandlung über einen Biofilter zur Vermeidung von Geruchsemissionen). Das Kohlendioxid erscheint daher nicht mehr im Biogas und kann daher auch nicht mehr das Methan „verdünnen". Als Ergebnis enthält das Biogas, welches den der Hydrolyse nachgeschalteten Methanreaktor verläßt, einen höheren Methangehalt.
Die Zufuhr von Luftsauerstoff kann auch nach Patentanspruch 4 durch die Belüftung des in die Hydrolyse zurückgeführten Ablaufes aus der Methanstufe vollzogen werden.
Für einen speziellen Einsatzbereich des Verfahrens, der Biogaserzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen (z. B. Getreideganzpflanzen, die in gehäckselter Form dem Verfahren zugeführt werden) ist als Randbedingung zu beachten, dass diese Einsatzstoffe in der Regel nur in einem kurzen Zeitraum während eines Jahres geerntet werden. Um eine kontinuierliche Biogasproduktion zu ermöglichen, werden diese Stoffe üblicherweise in haltbarer Form (Silage) in entsprechenden Lagerbereichen zwischengelagert.
Gemäß Patentanspruch 3 besteht eine alternative Ausführung des Verfahrens darin, die zur Zwischenlagerung dieser Einsatzstoffe benötigten Lagerbereiche direkt zur Perkolation/Hydrolyse zu nutzen. In diesem Fall wird jeweils ein Teil des im Lagerbereich eingelagerten Materials (definierte Zonen mit jeweils getrennter Erfassung der Sickerflüssigkeit) direkt mit Perkolat beaufschlagt. Das Perkolat wird in einem oder mehreren Zwischenspeichern gepuffert und kann so mehrfach dem Einsatzstoff zugeführt werden. Ein Teilstrom wird gemäß dem oben beschriebenen Grundverfahren direkt an den Biogasreaktor abgegeben.
Um die verschiedenen Zonen des gesamten Lagerbereichs mit Perkolat zu beaufschlagen wird das Beregnungssystem örtlich variabel ausgeführt (bspw. durch die gezielte Ansteuerung von einzelnen Beregnungsöffnungen oder durch die Ausführung als bewegliches/verschiebbares Beregnungssystem). Die Perkolation der jeweiligen Teilfläche des Lagerbereiches wird zeitversetzt begonnen, so dass sich unterschiedliche Abbauzustände in den einzelnen Teilbereichen des Lagerbereichs ergeben. Hierdurch kann eine Vergleichmäßigung der Perkolatqualität und damit der Biogasproduktion im anschließenden Methanreaktor erreicht werden.
Durch eine unterschiedliche zeitliche Ansteuerung der Zonen mit und einem entsprechenden Flüssigkeitsmanagement lässt sich alternativ zur Parallelschaltung eine Quasi-Gleichstrom- oder Reihenschaltung realisieren. Hierbei wird das Perkolat der zuletzt in den Perkolationsbetrieb übergegangenen Teilfläche auf eine bereits früher in den Perkolationsbetrieb übergegangene Teilfläche beaufschlagt mit dem Ziel einen besseren Abbau der Einsatzstoffe zu erreichen. Die Stoffstromführung ist somit der Stoffstromführung beim Einsatz von Perkolatoren in Reihenschaltung vergleichbar.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anlage zur mehrstufigen Hydrolyse fester biogener Rohstoffe mit mehreren Hydrolyseeinrichτungen zur Erzeugung von Biogas gelöst, bei der die Hydrolyseeinrichtungen mit Mengen biogener Rohstoffe so geschaltet sind, dass sie zeitlich versetzt betreibbar sind und das von einer Hydrolyseinrichtung mit frischerer Menge ablaufende Hydrolysat jeweils der Hydrolyseeinrichtung mit der nächstälteren Menge als Perkolationsflüssigkeit zugeführt wird.
Die Hydrolyseeinrichtungen sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit einem Ablauf eines Methanreaktors verbunden. Das nach dem Ablauf befindliche Speichervolumen weist eine Einrichtung zur Zufuhr von Luft auf. Alternativ kann die Einrichtung zur Zufuhr von Luft auch an anderer Stelle in der Verbindung zwischen Ablauf und Hydrolyseeinrichtungen angeordnet sein. Diese Einrichtung gewährleistet, dass belüfteter Ablauf des Methanreaktors als Perkolat oder Perkolatzusatz zur Hydrolyse frischer Mengen biogener Rohstoffe einsetzbar ist.
Die Hydrolyseeinrichtungen mit zugehörigen Speichern und Pumpschächten weisen Einrichtungen zur Zufuhr von Luft auf.
Vorteilhaft weisen die Hydrolyseeinrichtungen Einrichtungen zur Abfuhr von Luft und sich bei der Hydrolyse entwickelndes Gas auf.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Hydrolyseeinrichtungen Perkolatoren mit einer Berieselungseinrichtung und einer Einrichtung zur Fest/Flüssigkeitstrennung. Die Perkolatoren weisen einen Zwischenspeicher für das Hydrolysat auf oder den Perkolatoren ist ein Zwischenspeicher für das Hydrolysat nachgeschaltet.
Erfindungsgemäß sind die Perkolatoren so geschaltet, dass das von einer frischeren Menge ablaufende Hydrolysat jeweils der nächstälteren Menge als Perkolationsflüssigkeit zugeführt wird.
Durch diese kaskaden- oder stufenweise Anordnung der Perkolatoren besteht die Möglichkeit, die Hydrolysebakterien und die Enzyme des Hydrolysates mehrfach mit dem festen Inputmaterial in Kontakt zu bringen.
Erfindungsgemäß werden mehrere Perkolatoren verwendet, die identisch aufgebaut sein können und von denen jeder Perkolator mit einen entsprechenden Zwischenspeicher (z. B. größerer Schacht am Ablauf des Perkolators) ausgerüstet sein kann. Diese Perkolatoren werden nunmehr in einer Reihenschaltung betrieben, wobei der Perkolatstrom im QuasiGleichstrom geführt wird. Die Perkolatoren werden im Regelbetrieb mit zeitlichem Abstand gefüllt bzw. entleert, so dass sich im Gesamtprozess sowohl frisches Inputmaterial als auch solches mit längere Verweilzeit - hier bezeichnet als älteres Material - findet.
Im Regelbetrieb wird das Hydrolysat aus dem ersten, mit frischem Inputmaterial gefüllten Perkolat nun über den Hydrolysatspeicherbehälter nicht unmittelbar der Methanstufe — wie bisher üblich - zugeführt, sondern dem zweiten, mit älterem Material gefüllten Perkolator. Da dieses Hydrolysat nun noch eine hohe Konzentration an Hydrolysebakterien und Enzymen hat, wird der Abbau des biogenen Materials in dieser Stufe besser unterstützt als es ohne diese Teilstromführung möglich wäre. Das Hydrolysat aus dieser Stufe wird nun der nächsten zugeführt usw. In jeder Stufe wird mehr und mehr organische Trockensubstanz der biogenen Rohstoffe abgebaut. Im Endeffekt wird der Abbaugrad der biogenen Stoffe deutlich erhöht. Die Fracht an hydrolysierten organischen Stoffen, die dann nach der letzten Perkolatstufe - ggf. nach Pufferspeicherung - in die Methanstufe geleitet werden, erhöht sich entsprechend, so dass sich die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wegen der höheren spezifischen Ausbeute der biogenen Rohstoffe verbessert. Außerdem steigt auch die Konzentration organischer Stoffe im Hydrolysat von Stufe zu Stufe (vgl. Fig. 3). Dadurch erhöht sich der spezifische Gasertrag des Methanreaktors, der nun kleiner gebaut werden kann. Außerdem vermindert sich die im Umlauf befindliche Flüssigkeitsmenge.
Als vorteilhafter Nebeneffekt dieser Quasi-Gleichstrom Reihenschaltung der Hydrolysatstufen tritt eine zeitliche Vergleichmäßigung der Konzentration des Hydrolysatstromes, der in die Methanstufe geleitet wird auf. Dadurch vermindert sich der Regelungs- oder Steuerungsaufwand, um die produzierte Gasmenge und die Gasqualität konstant zu halten.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung (Fig. T) wird ein einziger Pumpenschacht für alle Perkolatoren (in Fig. 2 z. B. 3 Perkolatoren) verwendet. Die gestufte Stoffstromführung wird dadurch erreicht, dass der Zulauf zum Pumpenschacht über eine Ventilsteuerung am Ablauf der Zwischenspeicher jeweils nur von einem Perkolator erfolgt und dementsprechend zu einem bestimmten Zeitpunkt auch nur die Bedüsung mit Hydrolysat auch nur in einem Perkolator erfolgt. Nach einer entsprechend eingestellten Zeitdauer wird die Perkolation unterbrochen, das Zulaufventil des nächsten Zwischenspeichers wird geöffnet und die Perkolation wird auf den entsprechend nächsten zugeordneten Perkolator umgeschaltet. Der Ablauf des Perkolators mit dem ältesten Material wird in den Speicher geleitet, von dem aus das hoch angereicherte Hydrolysat dosiert in eine Methanstufe abgegeben wird.
Als Hydrolyseeinrichtungen können auch mobile Perkolatoren mit stationärer oder verfahrbarer Berieselungseinrichtung eingesetzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, die zur Zwischenlagerung der Einsatzstoffe (bspw. Maissilage) benötigten Flachsilos direkt zur Perkolation/Hydrolyse zu nutzen. In diesem Fall wird jeweils ein Teil des im Flachsilo eingelagerten Materials direkt mit Perkolat beaufschlagt. Das Perkolat wird in einem oder mehreren Zwischenspeichern gepuffert und kann so mehrfach dem Einsatzstoff zugeführt werden. Ein Teilstrom wird gemäß dem oben beschriebenen Grundverfahren direkt an den Biogasreaktor abgegeben.
Um Teilflächen (einzelne Zonen) des gesamten Lagerbereichs mit Perkolat zu beaufschlagen, wird das Beregnungssystem örtlich variabel ausgeführt (bspw. durch die gezielte Ansteuerung von einzelnen Beregnungsöfmungen oder durch die Ausführung als bewegliches/verschiebbares Beregnungssystem). Die Perkolation der jeweiligen Zone im Lagerbereich wird zeitversetzt begonnen, so dass sich unterschiedliche Abbauzustände in den einzelnen Zonen ergeben. Hierdurch kann eine Vergleichmäßigung der Perkolatqualität und damit der Biogasproduktion im anschließenden Methanreaktor erreicht werden.
Durch eine unterschiedliche zeitliche Ansteuerung der Zonen mit Perkolat und einem entsprechenden Flüssigkeitsmanagement lässt sich alternativ zur Parallelschaltung eine QuasiGleichstrom oder Reihenschaltung realisieren. Hierbei wird das Perkolat der zuletzt in den Perkolationsbetrieb übergegangenen Teilfläche auf eine bereits früher in den Perkolationsbetrieb übergegangene Teilfläche beaufschlagt mit dem Ziel einen besseren Abbau der Einsatzstoffe zu erreichen. Die Stoffstromführung ist somit der Stoffstromführung beim Einsatz von Perkolatoren in Reihenschaltung vergleichbar. Anhand beigefügter Darstellungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 2 Fließbild einer Beispielanlage mit 3 Perkolatoren
Fig. 3 Schema der erfindungsgemäßen Lösung mit mehrstufiger Stromführung des Hydrolysats
Fig. 2 zeigt ein Fließbild einer Anlage zur Erzeugung von Biogas mit 3 Perkolatoren Hl bis H3 und einem Methanreaktor R.
Die Perkolatoren Hl bis H3 sind gleich aufgebaut, säurefest ausgekleidet und können mit üblicher Technik, zum Beispiel Radladern be- und entladen werden.
Die Perkolatoren Hl bis H3 weisen jeweils eine Berieselungsanlage zur Zuführung von Perkolat und jeweils einen Siebboden auf, der eine Fest-/Flüssigkeitstrennung des Hydrolysates vom Festbett erlaubt.
Den Perkolatoren Hl bis H3 ist jeweils ein Zwischenspeicher ZWl bis ZW3 nachgeschaltet, der das vom Festbett ablaufende Hydrolysat sammelt.
Unterhalb der Siebböden ist eine Anlage zur Zuführung von Luft angeordnet, über die das Festbett bei Bedarf belüftet werden kann.
Die Perkolatoren Hl bis H3 sind über eine Sammelluftleitung mit einem Biofilter BF zur Abluftabführung und -reinigung sowie Geruchsneutralisation verbunden.
Die Zwischenspeicher ZWl bis ZW3 sind über mit Ventilen ansteuer- und absperrbare Verbindungsleitungen mit dem Pumpenschacht Pl verbunden.
Über Verbindungsleitungen ist der Pumpenschacht Pl mit den Berieselungsanlagen der -Perkolatoren Hl bis H3 und mit einen Speicher Sl verbunden. Das sich im Pumpenschacht mit Pumpe Pl sammelnde Hydrolysat kann über eine mit einem Wärmetauscher Wl (zur Einstellung der für den Hydrolyseprozess optimalen Temperatur) ausgerüstete Verbindungsleitung den jeweiligen Berieselungsanlagen der Perkolatoren Hl bis H3 als Perkolat zugeführt werden.
Speicher Sl ist mit dem Methanreaktor Rl zur Biogaserzeugung verbunden. Über diese Verbindungsleitung kann dem Methanreaktor mit Hilfe der Pumpe P2 Hydrolysat zugeführt werden. Im Wärmetauscher W2 wird die für die Methanerzeugung optimale Temperatur des Hydrolysats eigestellt.
Alternativ kann Hydrolysat aus dem Speicher Sl mit Hilfe der Pumpe P3 über den Wärmetauscher Wl erneut den Perkolatoren zugeführt werden, z. B. wenn das Hydrolysat noch nicht die optimale Konzentration an organischen Stoffen erreicht hat.
Speicher S2 erlaubt die Aufnahme von Ablauf aus dem Methanreaktor Rl .
Speicher Sl und S2 weisen jeweils eine Einrichtung zur Zuführung von Luft auf.
Belüfteter Ablauf kann über eine Verbindungsleitung vom Speicher S2 mittels der Pumpe P4 der Berieselungseinrichtung des Perkolators mit frischem biogenen Rohstoff zugeführt werden. Die der Verbindungsleitung zugeordnete Ventilsteuerung erlaubt eine entsprechende Zuleitung.
Zwischenspeicher, Pumpenschacht und Speicher Sl und S2 weisen einen Schlammabzug auf.
Im Gesamtprozess entstehende Überschussflüssigkeit wird aus dem Behälter S2 ausgeschleust und kann mittels Pumpe P5 in Tankwagen abgefüllt und extern verwertet werden (vorzugsweise als Dünger zur Schließung von Nährstoffkreisläufen).
Die Anlage nach Fig. 2 arbeitet wie folgt:
Im Normalbetrieb sind die Perkolatoren Hl bis H3 zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit biogenen Rohstoffen gefüllt. Perkolator H3 kann beispielsweise die älteste Befüllung, Perkolator H2 die nächste Befüllung aufweisen und Perkolator Hl gerade frisch befüllt sein. Aus dem Speicher S2 wird über die Berieselungsanlage dem mit frischem Inputmaterial gefüllten Perkolator Hl belüfteter Ablauf aus dem Methanreaktor Rl zugeführt. Dieses Perkolat weist nur eine geringe Konzentration an abbaubaren organischen Stoffen, jedoch Enzyme, Hydrolysebakterien und insbesondere Nährstoffe auf. Das vom Festbett des Perkolators Hl ablaufende Hydrolysat wird im Zwischenspeicher ZWl gesammelt, dem Pumpenschacht Pl zugeführt und von dort über die Verbindungsleitung und über einen Wärmetauscher der Berieselungsanlage des Perkolators H2 zugeleitet. Das das Festbett durchlaufende Hydrolysat wird im Zwischenspeicher ZW2 gesammelt und nachdem der Pumpenschacht P 1 geleert ist an diesen übergeben.
Das im Pumpenschacht Pl gesammelte Hydrolysat wird über die entsprechende Verbindungsleitung mit zugeordnetem Wärmetauscher der Berieselungsanlage des Perkolators H3 zugeführt, nach Durchlauf des Festbettes im Zwischenspeicher ZW3 gesammelt und nach Leerung des Pumpenschachtes diesem zur Weiterleitung an den Speicher Sl übergeben. Aus dem Speicher 1 kann dann die angereicherte Perkolationsflüssigkeit dem Methanreaktor Rl zugeführt werden.
Fig. 3 zeigt ein Schema der erfindungsgemäßen Lösung anhand 3 -stufiger Stromführung des Hydrolysats wie nach Anlagenschema Fig. 2. Deutlich sichtbar ist der erreichbare zusätzliche Abbau der organischen Trockensubstanz (oTS) und damit die Erhöhung der Fracht an hydrolysierten organischen Stoffen im Reihenbetrieb. Zum Vergleich ist der erreichbare Abbau organischer Trockensubstanz bei Parallelbetrieb dargestellt.
Bezugszeichen
H Ibis H 3 Perkolatoren 1 bis 3
ZWl bis ZW3: Zwischenspeicher 1 bis 3
BF Biofilter
Wl Wärmetauscher 1 (Zulauf Perkolatoren)
W2 Wärmetauscher 2 (Zulauf Methanreaktor)
Pl Pumpe 1 in Pumpenschacht (Umlaufpumpe Perkolation und Zulauf zu
Speicher 1)
P2 Pumpe 2 Zuführung Methanreaktor
P 3 Pumpe für Perkolation mit Zuführung aus Speicher 1
P4 Pumpe für Perkolation mit Zuführung aus Speicher 2
P5 Pumpe Abzug Überschusswasser
51 Speicher 1 (angereichertes Hydrolysat)
52 Speicher 2 (Ablauf Methanstufe) Rl Methanrealetor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur mehrstufigen Hydrolyse fester biogener Stoffe zur anschließenden Erzeugung von Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mengen fester biogener Rohstoffe zeitlich versetzt hydrolysiert werden, wobei das von der frischeren Menge ablaufende Hy drolysat jeweils der nächstälteren Menge als Perkolat zugeführt wird.
2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Perkolatoren verwendet werden, wobei das Hydrolysat eines mit einer frischeren Menge gefüllten Perkolators jeweils dem Perkolator mit der nächstälteren Menge gefüllten Perkolators als Perkolat zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Hydrolyse einzelne Zonen eines Lagerbereichs biogener Rohstoffe genutzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Perkolat oder Perkolatzusatz für die Perkolation der frischesten Menge der biogenen Rohstoffe belüfteteter Ablauf aus der Methanstufe eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivität und die Vermehrung von ubiquitär vorhandenen oder während des Prozesses eingetragener Methanbakterien in der Hydrolysestufe durch Zufuhr von Luft behindert oder vermieden wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssige Luft und sich bei der Hydrolyse entwickelndes Gas aus dem Prozeß abgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Mengen Teilmengen der biogenen Rohstoffe zeitlich versetzt hydrolysiert werden.
8. Anlage zur mehrstufigen Hydrolyse fester biogener Rohstoffe mit mehreren Hydrolyseeinrichtungen zur anschließenden Erzeugung von Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyseeinrichtungen mit Mengen biogener Rohstoffe so geschaltet sind, dass sie zeitlich versetzt betreibbar sind und dass das von einer
Hydrolyseinrichtung mit frischerer Menge ablaufende Hydrolysat jeweils der Hydrolyseeinrichtung mit der nächstälteren Menge als PerkolationsfLüssigkeit zugeführt wird.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Hydrolyseeinrichtungen mit einem Ablauf eines Methanreaktors verbunden sind, dass der Ablauf eine Belüftungseinrichtung aufweist oder dass in der Verbindung zwischen Ablauf und Hydrolyseeinrichtungen eine Belüftungseinrichtung angeordnet ist, so dass belüfteter Ablauf des Methanreaktors als Perkolat oder Perkolatzusatz zur Hydrolyse frischer Mengen biogener Rohstoffe einsetzbar ist.
10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyseeinrichtungen Einrichtungen zur Zufuhr von Luft aufweisen.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyseeinrichtungen Einrichtungen zur Abfuhr von Luft und sich bei der Hydrolyse entwickelndes Gas aufweisen.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyseeinrichtungen Perkolatoren mit einer Berieselungseinrichtung und einer Einrichtung zur Fest/Flüssigkeitstrennung sind, dass die Perkolatoren einen Zwischenspeicher für das Hydrolysat aufweisen oder dass den Perkolatoren ein Zwischenspeicher für das Hydrolysat nachgeschaltet ist.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyseeinrichtungen mobile Perkolatoren mit stationärer oder verfahrbarer Berieselungseinrichtung sind.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Hydrolyseeinrichtungen einzelne Zonen eines Lagerbereichs biogener Rohstoffe genutzt werden.
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