EP2137316A1 - Verfahren zur vergärung silierter nachwachsender rohstoffe - Google Patents

Verfahren zur vergärung silierter nachwachsender rohstoffe

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EP2137316A1
EP2137316A1 EP08718131A EP08718131A EP2137316A1 EP 2137316 A1 EP2137316 A1 EP 2137316A1 EP 08718131 A EP08718131 A EP 08718131A EP 08718131 A EP08718131 A EP 08718131A EP 2137316 A1 EP2137316 A1 EP 2137316A1
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EP
European Patent Office
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raw materials
ensiled
washing
water
washed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08718131A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Björn SCHWARZ
Burghardt Fassauer
Hannelore Friedrich
Eberhard Friedrich
Alexander Michaelis
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2137316A1 publication Critical patent/EP2137316A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
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    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/582—Recycling of unreacted starting or intermediate materials

Definitions

  • the invention relates to the fields of biochemistry and energy production and relates to a process for the fermentation of ensiled renewable raw materials, which have subsequently used in a biogas generating plant improved properties. Use is possible both in the mono-fermentation of renewable raw materials and in co-digestion with manure (for example liquid manure) in agricultural biogas plants or in co-digestion with sewage sludge on municipal sewage treatment plants.
  • manure for example liquid manure
  • the conversion of biomass into energetically usable biogas by exploiting the biochemical performance of an anaerobic mixed population of microorganisms is practiced on an industrial scale both in agricultural biogas plants and in digester towers of municipal sewage treatment plants.
  • the process technology used includes a very wide range of combinations and number and circuit of fermenters, process temperature (mesophilic, thermophilic), substrate treatment, charging regime, mixing, duration of stay and space load.
  • process temperature meophilic, thermophilic
  • the particle size of the ensiled raw materials in the centimeter range and is therefore relatively coarse.
  • About 60-80% of the dry matter has a particle size of more than 1 mm.
  • the ratio of circumference / area as a measure of the specific surface of this coarse fraction is on average 1 - 2 mm / mm 2 .
  • This specific surface area per amount of substrate on which hydrolytic microorganisms and enzymes can attack for a material conversion is comparatively small.
  • Both the particle size and the chemical structure result in the use of conventional fermentation technologies to unsatisfactory and sometimes uneconomical degradation.
  • the residence times of the substrates in anaerobic fermenters are 50 to 150 days according to the prior art very long and the achieved degree of degradation at the same time insufficient, which has a negative effect on the efficiency of the systems.
  • the various feed substrates are either mixed (pre-mixed) in a pre-pit or added separately to the fermenter.
  • Targeted biological prehydrolysis or comminution is rarely practiced.
  • the hydrolysis is known to be the rate limiting step in the anaerobic degradation chain. For this reason, their implementation in the actual fermenter together with all other degradation steps is to be considered critical.
  • the object of the solution according to the invention is to specify a method for the fermentation of ensiled renewable raw materials, by which the overall times for the production of biogas reduced, the methane yields increased and a smaller range of variation of the quality of the biogas produced is achieved.
  • ensiled, renewable raw materials are washed and comminuted, subsequently the washed and comminuted ensiled renewable raw materials, in which at least part of the scrubbing water has been removed, subjected to a separate hydrolysis, and then the hydrolysis products are subjected to the known process Biogas production in fermenters subject.
  • the ensiled renewable raw materials are mixed or sprayed with the wash water.
  • water-soluble substances which exert no detrimental effect on the subsequent anerobic degradation steps in the process for producing biogas in fermenters are used as wash water, waste water, process water, drinking water or process water from drainage systems being used particularly advantageously as wash water.
  • washing of the ensiled renewable raw materials is carried out with targeted mixing of the raw materials. It is also advantageous if the washing of the ensiled renewable raw materials is carried out at temperatures in the range of 1 0 C to 60 0 C.
  • washing water is removed from the washed silage by pressing, filtering or separating in the gravitational or centrifugal force field.
  • the ensiled and at least partially dewatered renewable raw materials are mechanically comminuted.
  • the method according to the invention it is possible to accelerate the overall process for the production of biogas from ensiled renewable raw materials and to achieve the desired shortening of the process times in total. At the same time, the amount of methane produced per amount of substrate used is increased and the quality of the properties of the biogas produced is improved.
  • the prerequisite for the operation of a biological hydrolysis stage for the acidification of ensiled substrates without the compulsory use of a larger quantity of manure is created.
  • the residence time necessary in the subsequent fermentation stage is shortened, whereby the container sizes and thus the necessary investment costs are reduced.
  • the gas quality is improved in terms of methane and hydrogen sulfide content.
  • the ensiled re-growing raw materials are washed, advantageously, this is done by mixing or spraying the used silage with washing water, the washing water in an amount between 20% by mass and 500% by mass based on the silage mass to be washed (wet mass - original silage) is used.
  • a washing medium it is possible to use low-viscosity (0-5% dry matter content) substances which are available and which have no exert any harmful effect on a subsequent anaerobic degradation step for the production of biogas.
  • this wastewater, process water, drinking water or filtrates are used by dewatering stages.
  • the contact time between wash water and silage is advantageously 1 s to 10 h. It is also advantageous to carry out an active mixing during the contact time by a mechanical movement of the silage with the washing water.
  • wash water from the silage.
  • at least 50% of the wash water should be removed.
  • a large part can be withdrawn with the help of gravity or centrifugal force or by pressing.
  • support for this process through the use of mechanical aggregates is preferable (e.g., screw separator). This advantageously also a very high amount of press water of 100 - 200% compared to the amount of wash water originally used achievable.
  • the washing step according to the invention two products are obtained.
  • a remote washing water which is as free as possible of coarse particles and heavily loaded with organic acids and other dissolved, easily degradable substrates and can be advantageously supplied to the fermenters as quickly usable substrate.
  • a particular advantage is the very easy handling, which allows a uniform dosage.
  • a dosage in feed pauses for the advantageous equalization of the feed load is possible.
  • the addition of the separated wash water is particularly advantageous in the second or further fermenters. The latter leads to a relief of the already usually highly loaded first fermenter and to a better utilization of existing capacity.
  • the washed and at least partially dehydrated silage which is very similar to unwashed silage in terms of its properties (dry residue, handling), is obtained.
  • the main difference is the now 20% to 80% reduced cargo of dissolved substances, such as the organic acids.
  • the mechanical comminution of the ensiled raw materials can according to the invention be carried out both before (crude silage) and after the washing (pressed material).
  • Another great advantage is provided by the third possibility of incorporating a comminution, in which the silage is simultaneously mechanically comminuted during the washing process, for example during the pressing off of the washing water. The latter reduces the mechanical complexity, since only one unit for washing and crushing is needed.
  • the mechanical comminution of the (washed) silage is advantageously carried out in cutting mills, extruders or impact mills, wherein a cutting, squeezing, rubbing and defibering of the coarse components takes place.
  • the stress duration is between 1 s and 10 min. After treatment, the proportion of particles> 1 mm is only 20%. In addition, a ratio of circumference / area of the particles of about 6 - 10 mm / mm 2 is achieved for this coarse fraction.
  • a mechanical comminution of the material brings with it further advantages.
  • the return of digestate or dehydrated digestate (liquid part) in the hydrolysis stage is particularly advantageous in the absence of a manure.
  • the solids of the silage used are at a residence time of 6 h to 5 days (depending on the stirring intensity and process temperature) in the hydrolysis step to part in solution. The released substances are readily available in the subsequent fermentation step and lead to accelerated gas formation.
  • a residence time of 20 to 30 days is set in the first fermentation fermenter by the process according to the invention.
  • 10 to 20 days are sufficient, as it receives the effluent from the main fermenter with lower gas potential on the one hand and the press water from the washing stage with very fast turnaround times as input on the other hand. This advantageously reduces the overall residence time in the fermenters.
  • Fig. 2 is a schematic of the overall process for biogas production with the Zer crampungs- and hydrolysis process step.
  • the entire biogas production process requires a time of 37 days compared to 60 days according to the prior art process. Furthermore, the washing of the silage results in a standardization of the composition, so that the hydrolyzed silage fed to the known biogas production process has a more uniform composition, as a result of which the biogas produced likewise has an improved gas quality.
  • This press water is fed completely to the secondary fermenter of the two-stage in-line device.
  • the washed and partially dehydrated silage is continuously reduced by means of a planetary roller extruder, wherein the coarse> 1 mm from a mass fraction of 80% reduced to 20% or 75% of these coarse materials are comminuted to less than 1 mm.
  • the residence time in the aggregate is about 15 s, with the ratio of circumference to area of the particles increasing from 1.5 to 9 mm / mm 2 .
  • the washed, pressed and crushed silage is fed to a hydrolysis reactor, the 0 Ma. -% manure, 10 Ma. -% activated sludge of a municipal sewage treatment plant and 65 Ma. -% of fermentation residues from the own biogas production process are supplied.
  • the materials remain in the hydrolysis reactor for 2 days and are then fed to the first fermentation stage in the first fermenter, in which the hydraulic residence time is 25 days. Subsequently, the products are fed into the secondary fermenter and remain there for an average of 10 days.
  • the entire biogas production process requires a time of 37 days compared to 60 days according to the prior art process. Furthermore, the washing and mechanical comminution of the silage unifies the composition, so that the hydrolysed silage fed to the known biogas production process has a more uniform composition, as a result of which the biogas produced likewise has an improved gas quality.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Gebiete der Biochemie und Energieerzeugung und betrifft ein Verfahren zur Vergärung silierter nachwachsender Rohstoffe, die nachfolgend in einer Biogaserzeugungsanlage eingesetzt werden und durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung verbesserte Eigenschaften aufweisen. Ein Einsatz ist sowohl bei der Monovergärung von nachwachsenden Rohstoffenals auch bei der Co-Vergärung mit Wirtschaftsdüngern (z.B. Gülle) in landwirtschaftlichen Biogasanlagen oder bei der Co-Vergärung mit Klärschlämmen auf kommunalen Kläranlagen möglich. Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Angabe eines Verfahrens, durch welches die Gesamtzeiten zur Herstellung von Biogas verringert und eine geringere Schwankungsbreite der Qualität des erzeugten Biogases erreicht wird. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem silierte nachwachsende Rohstoffe zuerst gewaschen und mechanisch zerkleinert werden, nachfolgend die gewaschenen und zerkleinerten silierten nachwachsenden Rohstoffe, bei denen mindestens ein Teil des Waschwasser entfernt worden ist, einer separaten Hydrolyse unterworfen werden, danach die Hydrolyseprodukte dem bekannten Verfahren zur Biogaserzeugung in Fermentern unterworfen werden.

Description

Verfahren zur Vergärung silierter nachwachsender Rohstoffe
Die Erfindung betrifft die Gebiete der Biochemie und Energieerzeugung und betrifft ein Verfahren zur Vergärung silierter nachwachsender Rohstoffe, die nachfolgend in einer Biogaserzeugungsanlage eingesetzt verbesserte Eigenschaften aufweisen. Ein Einsatz ist sowohl bei der Monovergärung von nachwachsenden Rohstoffen als auch bei der Co-Vergärung mit Wirtschaftsdüngern (z.B. Gülle) in landwirtschaftlichen Biogasanlagen oder bei der Co-Vergärung mit Klärschlämmen auf kommunalen Kläranlagen möglich.
Die Umwandlung von Biomasse in energetisch zu verwertendes Biogas unter Ausnutzung der biochemischen Leistungsfähigkeit einer anaeroben Mischpopulation von Mikroorganismen wird großtechnisch sowohl in landwirtschaftlichen Biogasanlagen als auch in Faultürmen kommunaler Kläranlagen praktiziert. Die dabei verwendete Verfahrenstechnik umfasst ein sehr breites Spektrum an Kombinationen und Anzahl und Schaltung von Fermentern, Prozesstemperatur (mesophil, thermophil), Substratbehandlung, Beschickungsregime, Durchmischung, Aufenthaltsdauer und Raumbelastung. Bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe als Haupt- oder Co-Substrat zur Biogaserzeugung verhindert deren chemische Struktur eine vollständige Umsetzung zu Biogas. Größere Anteile dieses pflanzlichen Materials bestehen aus, für Mikroorganismen, schwer oder gar nicht zugänglicher Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Außerdem liegt die Partikelgröße der silierten Rohstoffe im Zentimeterbereich und ist damit relativ grob. Etwa 60 - 80 % der Trockenmasse weisen eine Partikelgröße von mehr als 1 mm auf. Das Verhältnis von Umfang/Fläche als Maß für die spezifische Oberfläche dieser Grobfraktion beträgt im Mittel 1 - 2 mm/mm2. Diese spezifische Oberfläche pro Substratmenge, an denen hydrolytisch wirkende Mikroorganismen und Enzyme für eine stoffliche Umsetzung angreifen können ist vergleichsweise gering. Sowohl die Partikelgröße als auch die chemische Struktur führen bei der Anwendung herkömmlicher Vergärungstechnologien zu unbefriedigenden und teilweise unwirtschaftlichen Abbaugraden. Die Verweilzeiten der Substrate in anaeroben Fermentern sind mit 50 bis 150 Tagen entsprechend dem Stand der Technik sehr lang und die erreichten Abbaugrade gleichzeitig ungenügend, was sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Anlagen auswirkt.
Die verschiedenen Beschickungssubstrate werden entweder in einer Vorgrube miteinander vermischt (angemaischt) oder separat in den Fermenter eingetragen. Eine gezielte biologische Vorhydrolyse oder Zerkleinerung wird selten praktiziert. Die Hydrolyse stellt jedoch bekanntermaßen den die Geschwindigkeit limitierenden Schritt in der anaeroben Abbaukette dar. Aus diesem Grund ist deren Realisierung im eigentlichen Fermenter gemeinsam mit allen anderen Abbauschritten als kritisch zu bewerten. Im Fermenter stellen sich die Milieubedingungen als Folge aller ablaufenden biochemischen Prozesse ein. Diese Bedingungen sind besonders für die Hydrolyse nicht als optimal einzuschätzen, so dass eine Entkopplung dieses Schrittes mit der Einstellung bestmöglicher Verhältnisse Stand der Technik sein sollte, a- ber für silierte Materialien nicht ist.
Problem bei der Vorhydrolyse von silierten Materialien ist deren sehr hoher Gehalt an organischen Säuren, welche während des Silierprozesses als natürliche Konservierungsmittel entstehen. Der pH-Wert einer mit Silagen betriebenen Hydrolysestufe fällt ohne entsprechende Puffersubstanzen in einen Bereich ab, welcher keine weitere Freisetzung von organischen Säuren zulässt (Konservierung/Selbsthemmung). Bei der Co-Vergärung von Silagen mit Gülle reicht die Pufferwirkung der Gülle zwar aus, um Milieubedingungen für eine biologische Hydrolyse zu schaffen. Trotzdem wird der Prozess der gewünschten Substratlösung durch die Fracht an organischen Säuren in der Silage begrenzt (rascher Gradientenausgleich). Das bedeutet eine derartige Stufe arbeitet nicht effizient genug bezogen auf die innerhalb einer Zeiteinheit freigesetzten leicht verfügbaren Bestandteile.
Im Zuge des Ausbaus der Erzeugung regenerativer Energie, gewinnt die Verwendung nachwachsender (silierter) Rohstoffe stark an Bedeutung. Da im Gegensatz dazu die zur Verfügung stehende Güllemenge als gleich bleibend anzusehen ist, werden gegenwärtig und in Zukunft vermehrt Anlagen installiert, welche auf Gülle fast oder gänzlich verzichten. Für solche Anlagen ist die Nutzung einer vorgeschalteten Hydrolysestufe erheblich erschwert, da bisher kein der Gülle adäquates Puffersubstrat zur Neutralisation der Silagesäuren zur Verfügung steht.
Des Weiteren ist bei in Reihe geschalteten Reaktoren (Kaskaden) nur der erste Reaktor voll ausgelastet, da der größte Anteil der mikrobiologisch verfügbaren organischen Stoffe bereits in den ersten 20 bis 30 Tagen umgesetzt wird. Alle nach geschalteten Reaktoren sind in ihrer Abbauaktivität und Geschwindigkeit sehr stark begrenzt. Ursache ist die sehr langsame Hydrolyse der verbliebenen organischen Fraktionen. Dies führt zu einer Unterlastung der Methanogenese, welche noch deutliche Reserven aufweist.
Bei der energetischen Verwertung des entstehenden Biogases ist dessen Qualität für die genutzten Systeme von großer Bedeutung. Besonders hervorzuheben ist dabei der Gehalt an Schwefelwasserstoff und Methan. Während ersterer Auswirkungen auf die Betriebsstabilität infolge Korrosion hat, bedeutet ein höherer Methananteil eine größere Leistungsdichte und damit beispielsweise einen höheren Wirkungsgrad eines Blockheizkraftwerkes. Nach dem Stand der Technik wird der Methangehalt von Biogasanlagen nicht direkt beeinflusst, sondern ist in der Regel abhängig vom eingesetzten Substrat. Ausnahme ist die Aufbereitung zur Einspeisung in Gas- oder Treibstoff netze, für die eine Vielzahl von technischen Lösungen bereitsteht, welche energetisch aufwendig zu betreiben sind. Für die Reduzierung des Schwefelwasserstoffgehaltes werden sowohl die biologische Entschwefelung (O2-Eintrag) als auch externe Entschwefelungsanlagen eingesetzt.
In einer offenen Hydrolysestufe werden besonders Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff an die Atmosphäre abgegeben. Diese abgetrennten Reaktionsprodukte feh- len im Biogas der nachfolgenden Fermentationsstufe, weshalb sich dessen Qualität verbessert.
Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen in der vergleichsweise langen Reaktionszeit und den zum Teil großen qualitativen Schwankungen der Eigenschaften des erzeugten Biogases.
Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Vergärung silierter nachwachsender Rohstoffe, durch welches die Gesamtzeiten zur Herstellung von Biogas verringert, die Methanausbeuten erhöht und eine geringere Schwankungsbreite der Qualität des erzeugten Biogases erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vergärung silierter nachwachsender Rohstoffe werden silierte nachwachsende Rohstoffe gewaschen und zerkleinert, nachfolgend die gewaschenen und zerkleinerten silierten nachwachsenden Rohstoffe, bei denen mindestens ein Teil des Waschwassers entfernt worden ist, einer separaten Hydrolyse unterworfen, und danach die Hydrolyseprodukte dem bekannten Verfahren zur Biogaserzeugung in Fermentern unterworfen.
Vorteilhafterweise werden die silierten nachwachsenden Rohstoffe mit dem Waschwasser gemischt oder besprüht.
Weiterhin vorteilhafterweise werden als Waschwasser dünnflüssige Substanzen, die keine nachteiligen Auswirkungen auf die nachfolgenden aneroben Abbauschritte in dem Verfahren zur Biogaserzeugung in Fermentern ausüben, eingesetzt, wobei besonders vorteilhafterweise als Waschwasser Abwässer, Betriebswässer, Trinkwasser oder Prozesswässer von Entwässerungsanlagen eingesetzt werden.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird eine Menge von 20 bis 500 Ma. -% Waschwasser bezogen auf die zu waschende Silagemasse (Originalsubstanz) eingesetzt.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Waschen der silierten nachwachsenden Rohstoffe mit gezielter Durchmischung der Rohstoffe durchgeführt wird. Auch vorteilhaft ist es, wenn das Waschen der silierten nachwachsenden Rohstoffe bei Temperaturen im Bereich von 10C bis 60 0C durchgeführt wird.
Und vorteilhaft ist es auch, wenn das Waschen der silierten nachwachsenden Rohstoffe in einer Zeit von 1 s bis 10 h durchgeführt wird.
Von Vorteil ist es, wenn das Waschwasser durch Pressen, Filtrieren oder Abtrennen im Schwerkraft- oder Zentrifugalkraftfeld von der gewaschenen Silage entfernt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die silierten Rohstoffe vor der Waschung mechanisch zerkleinert werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die silierten und mit Waschwasser vermischten Rohstoffe simultan während des Wasch- und Entwässerungsprozesses mechanisch zerkleinert werden.
Und auch von Vorteil ist es, wenn die silierten und mindestens teilweise entwässerten nachwachsenden Rohstoffe mechanisch zerkleinert werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn die mechanische Zerkleinerung mittels Schneiden, Quetschen, Reiben und Zerfasern durchgeführt wird.
Und vorteilhaft ist es auch, wenn die mechanische Zerkleinerung innerhalb von 1 s - 10 min durchgeführt wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn dem Hydrolyseprozess neben den gewaschenen silierten und mindestens teilweise entwässerten nachwachsenden Rohstoffen, bezogen auf die entstehende Gesamtmischung, 10 % - 40 % Gülle oder 10 % - 70 % Gärrest aus dem eigenen Biogasgewinnungsverfahren oder 5 % - 25 % Gülle gemeinsam mit 5 - 25 % Gärrest zugesetzt werden, wobei alle Varianten mit 0 % - 50 % Belebtschlamm kommunaler Kläranlagen und/oder 0 % - 50 % Prozesswässern kombiniert sein können.
Und vorteilhaft ist es auch, wenn das mindestens teilweise entfernte Waschwasser in den nachfolgenden Verfahrenschritten zur Biogaserzeugung in den Fermentern dosiert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, den Gesamtprozess zur Herstellung von Biogas aus silierten nachwachsenden Rohstoffen zu beschleunigen und die gewünschte Verkürzung der Verfahrenszeiten insgesamt zu erreichen. Gleichzeitig wird die pro eingesetzte Substratmenge erzeugte Methanmenge erhöht und die Qualität der Eigenschaften des erzeugten Biogases verbessert.
Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Voraussetzung für den Betrieb einer biologischen Hydrolysestufe für die Versäuerung silierter Substrate ohne den zwingenden Einsatz einer größeren Güllemenge geschaffen. Dadurch ist es möglich, einen von der eigentlichen Vergärungsstufe zur Herstellung von Biogas entkoppelten Prozessschritt voranzustellen, welcher unter optimalen Milieubedingungen den Geschwindigkeit limitierenden Schritt der Hydrolyse beschleunigt. Die in der nachfolgenden Vergärungsstufe notwendige Verweilzeit wird verkürzt, womit sich die Behältergrößen und damit die notwendigen Investitionskosten reduzieren.
Bei der Verwendung von in Reihe geschalteten Fermentern werden die einzelnen Prozessstufen gleichmäßiger belastet und die Überlastung des ersten Fermenter wird zum Teil auf die Nachfolgenden übertragen. Der Gesamtprozess wird stabilisiert und die Gasausbeute je zugeführter Substratfracht gesteigert.
Die Gasqualität wird hinsichtlich des Methan- und Schwefelwasserstoffgehaltes verbessert.
Erreicht wird dies, indem durch das Waschen der silierten nachwachsenden Rohstoffe die beschriebene Selbsthemmung der Hydrolyse durch eingebrachte organische Säuren aus den Silagen behoben oder vermindert wird. Weiterhin werden durch eine möglichst starke mechanische Zerkleinerung der silierten nachwachsenden Rohstoffe vor, während oder nach dem Waschen das Mischverhalten der Rohstoffe sowie deren Reaktivität deutlich verbessert. Dies wird insbesondere durch die Vergrößerung der Oberfläche der Rohstoffe erreicht. Durch diese erfindungsgemäße Prozessstufe der mechanischen Zerkleinerung wird der Hydrolyseprozess weiter beschleunigt. Zur Pufferung des pH-Wertes und für die Zuführung von hydrolysierten Mikroorganismen ist die Rückführung von Gärresten in den Hydrolyseschritt sehr wichtig.
Zuerst werden die silierten nachwachsenden Rohstoffe gewaschen, vorteilhafterweise erfolgt dies durch Vermischung oder Besprühung der einzusetzenden Silage mit Waschwasser, wobei das Waschwasser in einer Menge zwischen 20 Masse-% und 500 Massen-% bezogen auf die zu waschende Silagemasse (feuchte Masse - original Silage) eingesetzt wird. Als Waschmedium können dünnflüssige (0 - 5 % Trockensubstanzgehalt) Substanzen eingesetzt werden, welche verfügbar sind und kei- nerlei schädliche Wirkung auf einen nachfolgenden anaeroben Abbauschritt zur Herstellung von Biogas ausüben. Vorteilhafterweise werden dazu Abwässer, Betriebswässer, Trinkwässer oder Filtrate von Entwässerungsstufen eingesetzt.
Die Kontaktzeit zwischen Waschwasser und Silage beträgt vorteilhafterweise 1 s bis 10 h. Ebenfalls ist es vorteilhaft, eine aktive Durchmischung während der Kontaktzeit durch eine mechanische Bewegung der Silage mit dem Waschwasser durchzuführen.
Im Anschluss ist mindestens eine teilweise Abtrennung des Waschwassers von der Silage notwendig. Vorteilhafterweise sollten mindestens 50 % des Waschwassers entfernt werden. Dabei kann ein Großteil schon mit Hilfe der Schwer- oder Zentrifugalkraft oder durch Abpressen entzogen werden. Eine Unterstützung dieses Prozesses durch den Einsatz von mechanischen Aggregaten ist allerdings zu bevorzugen (z.B. Schneckenseparator). Damit ist vorteilhafterweise auch eine sehr hohe Menge an Presswasser von 100 - 200 % gegenüber der ursprünglich eingesetzten Waschwassermenge erreichbar.
Im Ergebnis der erfindungsgemäßen Waschstufe werden zwei Produkte erhalten. Zum einen entsteht ein entferntes Waschwasser, welches möglichst frei von groben Partikeln und stark beladen mit organischen Säuren und anderen gelösten, leicht abbaubaren Substraten ist und vorteilhafterweise als schnell verwertbares Substrat den Fermentern zugeführt werden kann. Ein besonderer Vorteil ist die sehr einfache Handhabung, welche eine gleichmäßige Dosierung ermöglicht. Bei einstufigen Anlagen ist eine Dosierung in Beschickungspausen zur vorteilhaften Vergleichmäßigung der Beschickungsbelastung möglich. Bei mehrstufigen Anlagen ist die Zugabe des abgetrennten Waschwassers besonders in dem zweiten oder weiteren Fermentern vorteilhaft. Letzteres führt zu einer Entlastung der ohnehin in der Regel hoch belasteten ersten Fermenter und zu einer besseren Ausnutzung bestehender Kapazitäten.
Als zweites Produkt wird die gewaschene und mindestens teilweise entwässerte Silage welche von seinen Eigenschaften her (Trockenrückstand, Handhabung) sehr der ungewaschenen Silage ähnelt, gewonnen. Wesentlicher Unterschied ist aber die nun um 20% bis 80% verminderte Fracht an gelösten Stoffen, wie z.B. den organischen Säuren. Die mechanische Zerkleinerung der silierten Rohstoffe kann erfindungsgemäß sowohl vor (Rohsilage) als auch nach der Waschung (Pressgut) durchgeführt werden. Einen großen Vorteil bietet auch die dritte Möglichkeit der Einbindung einer Zerkleinerung, bei der die Silage während des Waschvorganges, beispielsweise während des Abpressens des Waschwassers, simultan mechanisch zerkleinert wird. Letzteres vermindert den maschinellen Aufwand, da nur ein Aggregat für Waschung und Zerkleinerung benötigt wird.
Die mechanische Zerkleinerung der (gewaschenen) Silage erfolgt vorteilhafterweise in Schneidmühlen, Extrudern oder Prallmühlen, wobei ein Schneiden, Quetschen, Reiben und Zerfasern der Grobbestandteile erfolgt. Die Beanspruchungsdauer liegt zwischen 1 s und 10 min. Nach der Behandlung liegt der Anteil von Partikeln > 1 mm bei nur noch 20%. Außerdem wird für diesen Grobanteil ein Verhältnis von Umfang/Fläche der Partikel von ca. 6 - 10 mm/mm2 erreicht.
Das gewaschene und zerkleinerte Pressgut gelangt anschließend in die Hydrolysestufe. In dieser ist, bezogen auf die entstehende Gesamtmischung, eine Vermengung mit 10 % - 70 % Gärrest, welcher aus der nachgeschalteten Fermentation zurückgeführt wird und 0 % - 50 % Belebtschlamm kommunaler Kläranlagen und/oder 0 % bis 50 % Prozesswässer möglich Eine weitere Möglichkeit ist die Vermengung mit 10 % - 40 % Gülle und 0 % - 50 % Belebtschlamm kommunaler Kläranlagen und/oder 0 % bis 50 % Prozesswässer. Auch eine Zugabe von 5 - 25 % Gärrest und 5 - 25 % Gülle kombiniert mit den genannten Anteilen von Belebtschlamm und Prozesswässern stellt eine mögliche Variante dar. Durch das Anmaischen mit den genannten Substraten wird die Silage in einen rührfähigen Zustand überführt (Trockenrückstand = 7 - 15 %), der pH-Wert gepuffert und eine ausreichende Menge an aktiven Mikroorganismen der Prozessstufe zugeführt. Eine mechanische Zerkleinerung des Materials bringt hierfür weitere Vorteile. Die Rückführung von Gärresten oder entwässerten Gärresten (Flüssigteil) in die Hydrolysestufe ist bei Verzicht auf einen Gülleeinsatz besonders vorteilhaft. Die Feststoffe der eingesetzten Silage gehen bei einer Aufenthaltszeit von 6 h bis 5 Tagen (je nach Rührintensität und Prozesstemperatur) im Hydrolyseschritt zu Teil in Lösung über. Die freigesetzten Stoffe sind im anschließenden Fermentationsschritt leicht verfügbar und führen zu einer beschleunigten Gasbildung. Bei einer Anlage mit zwei Fermentern wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im ersten Vergärungsfermenter eine Verweilzeit von 20 - 30 Tagen eingestellt. Für den Nachfermenter genügen dann 10 - 20 Tage, da dieser zum einen den Ablauf vom Hauptfermenter mit geringerem Gaspotenzial und zum anderen das Presswasser der Waschstufe mit sehr schnellen Umsatzzeiten als Input erhält. Damit wird die Gesamtverweilzeit in den Fermentern vorteilhaft vermindert.
Gegenüber Lösungen des Standes der Technik kommt es zu einer Beschleunigung des anaeroben Abbaus von silierten nachwachsenden Rohstoffen und zu einer Steigerung der Methanausbeute pro eingesetztes Substrat. Auf den Einsatz von Gülle für den Betrieb der Hydrolysestufe kann verzichtet werden, was den Standort der Biogasanlage unabhängig vom Vorhandensein von Gülle oder Viehbetrieben macht. Besonders interessant wird dieser Aspekt, wenn es um eine Kombination von Entsorgungsbetrieben und nachwachsenden Rohstoffen geht.
Es werden weiterhin die Gasqualität, die Prozessstabilität und die Ausnutzung der vorhandenen Kapazitäten verbessert. Letzteres hat seine Ursache besonders in der Flexibilität bei der Nutzung der anfallenden Presswässer.
Auch auf bestehenden Anlagen, welche mit Gülle arbeiten, bringt eine Waschung und Zerkleinerung der silierten Beschickungssubstrate mit anschließender Hydrolyse die genannten Vorteile.
Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schema des Gesamtverfahrens zur Biogaserzeugung mit dem Hydrolyseprozessschritt,
Fig. 2 ein Schema des Gesamtverfahrens zur Biogaserzeugung mit dem Zer kleinerungs- und Hydrolyseprozessschritt.
Beispiel 1
1000 kg Silage, bestehend aus 60%Mais und 40% Roggen GPS wird einem Waschreaktor zugeführt. Anschließend werden dem Waschreaktor 10001 Flüssigkeit, die aus Brauchwasser (Kläranlagenablauf) besteht, zugegeben. Die Silage wird nach dem Einfüllen der Flüssigkeit durch Knetstempel für 10min bewegt. Danach verbleibt die gewaschene Silage für 5min im Waschreaktor, wobei durch zusammendrücken der Silage das Waschwasser zu 100% aus der Silage entfernt wird. Das ausge- presste Waschwasser wird aufgefangen. Es weist eine Zusammensetzung von 2,5% Trockensubstanzgehalt und 50g/l gelösten CSB auf und wird den in den nachfolgenden Prozessstufen vorhandenen Fermentern zugegeben. Die gewaschene und teilentwässerte Silage wird einem Hydrolysereaktor zugeführt, dem 0 Ma. -% Gülle, 15 Ma. -% Belebtschlamm einer kommunalen Kläranlage und 50 Ma. -% an Gärresten aus dem eigenen Biogaserzeugungsverfahren zugeführt werden. Die Stoffe verbleiben 2 Tage im Hydrolysereaktor und werden dann dem bekannten Verfahren zur Biogaserzeugung zugeführt.
Das Gesamtverfahren zur Biogaserzeugung benötigt erfindungsgemäß eine Zeit von 37 Tagen im Vergleich zu 60 Tagen nach Verfahren nach dem Stand der Technik. Weiterhin erfolgt durch die Waschung der Silage eine Vereinheitlichung der Zusammensetzung, so dass die dem bekannten Biogaserzeugungsverfahren zugeführte hydrolysierte Silage eine gleichmäßigere Zusammensetzung aufweist, wodurch das erzeugte Biogas ebenfalls eine verbesserte Gasqualität aufweist.
Beispiel 2
1000 kg Silage, bestehend aus 60%Mais und 40% Roggen GPS wird einem Waschreaktor zugeführt. Anschließend werden dem Waschreaktor 500I Flüssigkeit, die aus Brauchwasser (Kläranlagenablauf) besteht, zugegeben. Danach verbleibt die gewaschene Silage für 5min im Waschreaktor, wodurch das Waschwasser aufgrund der Schwerkraft durch den Silagekörper sickert und sich am Boden sammelt. Durch Entleeren des gesamten Behälters wird das Wasser und die Silage erneut durchmischt, eine weitergehende mechanische Durchmischung erfolgt nicht. Mit einer Fördereinrichtung wird dieses Silage-Wasser-Gemisch zu einer Schneckenpresse geführt und dort das Waschwasser abgepresst. Im Ergebnis der Entwässerung werden ca. 800 I Presswasser mit 4,5% Trockensubstanzgehalt und 55g/l gelösten CSB erhalten. Dieses Presswasser wird vollständig dem Nachfermenter der zweistufigen in Reihe geschalteten Vorrichtung zugeführt. Die gewaschene und teilentwässerte Silage wird mit Hilfe eines Planetwalzenextruders kontinuierlich zerkleinert, wobei die Grobstoffe > 1 mm von einem Massenanteil 80% auf 20% reduziert bzw. 75% dieser Grobstoffe auf unter 1 mm zerkleinert werden. Die Aufenthaltszeit im Aggregat beträgt ca. 15s, wobei das Verhältnis von Umfang zu Fläche der Partikel von 1 ,5 auf 9 mm/mm2 steigt.
Nachfolgend wird die gewaschene, abgepresste und zerkleinerte Silage einem Hydrolysereaktor zugeführt, dem 0 Ma. -% Gülle, 10 Ma. -% Belebtschlamm einer kommunalen Kläranlage und 65 Ma. -% an Gärresten aus dem eigenen Biogaserzeugungsverfahren zugeführt werden. Die Stoffe verbleiben 2 Tage im Hydrolysereaktor und werden dann der ersten Vergärungsstufe im ersten Fermenter zugeführt, in welchem die hydraulische Verweilzeit 25 Tage beträgt. Nachfolgend werden die Produkte in den Nachfermenter geführt und verbleiben dort im Mittel noch 10 Tage.
Das Gesamtverfahren zur Biogaserzeugung benötigt erfindungsgemäß eine Zeit von 37 Tagen im Vergleich zu 60 Tagen nach Verfahren nach dem Stand der Technik. Weiterhin erfolgt durch die Waschung und mechanische Zerkleinerung der Silage eine Vereinheitlichung der Zusammensetzung, so dass die dem bekannten Biogaserzeugungsverfahren zugeführte hydrolysierte Silage eine gleichmäßigere Zusammensetzung aufweist, wodurch das erzeugte Biogas ebenfalls eine verbesserte Gasqualität aufweist.

Claims

Patentansprüche
I .Verfahren zur Vergärung silierter nachwachsender Rohstoffe bei dem silierte nachwachsende Rohstoffe gewaschen und zerkleinert werden, nachfolgend die gewaschenen und zerkleinerten silierten nachwachsenden Rohstoffe, bei denen mindestens ein Teil des Waschwassers entfernt worden ist, einer separaten Hydrolyse unterworfen werden, danach die Hydrolyseprodukte dem bekannten Verfahren zur Biogaserzeugung in Fermentern unterworfen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die silierten nachwachsenden Rohstoffe mit dem Waschwasser gemischt oder besprüht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Waschwasser dünnflüssige Substanzen, die keine nachteiligen Auswirkungen auf die nachfolgenden aneroben Abbauschritte in dem Verfahren zur Biogaserzeugung in Fermentern ausüben, eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Waschwasser Abwässer, Betriebswässer, Trinkwasser oder Prozesswässer von Entwässerungsanlagen eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Menge von 20 bis 500 Ma. -% Waschwasser bezogen auf die zu waschende Silagemasse (Originalsubstanz) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Waschen der silierten nachwachsenden Rohstoffe mit gezielter Durchmischung der Rohstoffe durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Waschen der silierten nachwachsenden Rohstoffe bei Temperaturen im Bereich von 1 °C bis 60 0C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Waschen der silierten nachwachsenden Rohstoffe in einer Zeit von 1 s bis 10 h durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Waschwasser durch Pressen, Filtrieren oder Abtrennen im Schwerkraft- oder Zentrifugalkraftfeld von der gewaschenen Silage entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die silierten Rohstoffe vor der Waschung mechanisch zerkleinert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die silierten und mit Waschwasser vermischten Rohstoffe simultan während des Wasch- und Entwässerungsprozesses mechanisch zerkleinert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die silierten und mindestens teilweise entwässerten nachwachsenden Rohstoffe mechanisch zerkleinert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die mechanische Zerkleinerung mittels Schneiden, Quetschen, Reiben und Zerfasern durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die mechanische Zerkleinerung innerhalb von 1 s - 10 min durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem dem Hydrolyseprozess neben den gewaschenen silierten und mindestens teilweise entwässerten nachwachsenden Rohstoffen , bezogen auf die entstehende Gesamtmischung, 10 % - 40 % Gülle oder 10 % - 70 % Gärrest aus dem eigenen Biogasgewinnungsverfahren oder 5 % - 25 % Gülle gemeinsam mit 5 - 25 % Gärrest zugesetzt werden, wobei alle Varianten mit 0 % - 50 % Belebtschlamm kommunaler Kläranlagen und/oder 0 % bis 50 % Prozesswässern kombiniert sein können.
16. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das mindestens teilweise entfernte Waschwasser in den nachfolgenden Verfahrenschritten zur Biogaserzeugung in den Fermentern dosiert wird.
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