WO2010034685A2 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung biogener stoffe zur erzeugung von biogas - Google Patents

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WO2010034685A2
WO2010034685A2 PCT/EP2009/062189 EP2009062189W WO2010034685A2 WO 2010034685 A2 WO2010034685 A2 WO 2010034685A2 EP 2009062189 W EP2009062189 W EP 2009062189W WO 2010034685 A2 WO2010034685 A2 WO 2010034685A2
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Hannelore Friedrich
Robert Maas
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    • Y02W30/40—Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse

Definitions

  • the invention relates to the fields of biochemistry and energy production and relates to a method and a device for the treatment of biogenic substances for the production of biogas, as used for example in a biogas production plant can contribute to increase the biogas quantity.
  • Agricultural biogas plants are in financial difficulties due to rising raw material prices for the substrates.
  • Methods and devices in which the efficiency of the fermentation process is increased so that more biogas is produced and the quality of the obtained biogas is improved, are therefore being sought.
  • An improvement in the biogas means an increase in the proportion of methane and a reduction in carbon dioxide and harmful trace substances, such as hydrogen sulfide.
  • the aim of every development in this field is therefore to improve the fermentation process and the subsequent process steps.
  • dissolved gases such as ammonia or carbon dioxide, are removed from the liquid by ultrasound from fermentation residues of biogas plants and these can be converted into fertilizers by further treatment steps.
  • DE 10 2006 015 496 A1 discloses a method and a device for producing nitrogen fertilizer from biogenic substances, wherein the digestate from biogas plants is subjected to ultrasound in a degassing vessel. As a result, the gases produced in the biogas plant ammonia and carbon dioxide are removed. As a second possibility for the application of ultrasound, the reaction of ammonia gas with CaSO 4 in aqueous solution or suspension is mentioned. The implementation is accelerated by the creation of new surfaces on the solid and efficient mixing.
  • DE 102 05 950 A1 discloses a method and apparatus for the treatment of ammonium, phosphate and potassium-containing liquids known.
  • the solids are mechanically separated from wastewater in a multi-stage process, carried out a fine filtration, realized the precipitation of ammonium and phosphorus, biodegraded the organic residues under aerobic conditions and separated in the wastewater still existing organic compounds and salts.
  • This solution brings advantages for the recovery of fertilizer from digestate, since a separation of the liquid from particulate substances and solids takes place, whereby the following process steps can be carried out in a virtually particle-free liquid.
  • a disadvantage of this procedure is that the dissolved and undissolved gases in the fermentation residue can not be completely made available for further utilization to fertilizer.
  • Another disadvantage is the high organic load in the liquid phase of the digestate, which can be between 60 and 80%.
  • the existing organic cargo is largely not degraded and must be disposed of.
  • the gas potential present in this fraction is lost.
  • a disadvantage of the solutions of the prior art is that in all known methods and devices, the existing potentials for the production of biogas are not exploited to an increased extent.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for the treatment of biogenic substances for the production of biogas, with which the biogas yield of biogas production plants is increased.
  • the fermentation residue I originating from a biogas production plant with at least one fermenter is subjected to a solid-liquid separation, subsequently the liquid phase of digestate I.
  • biogenic substances used are renewable raw materials, sewage sludge, agricultural wastewater, landfill wastewater, waste water from waste treatment plants, biogenic residues or waste materials from the food industry and / or agriculture.
  • the digestate I is subjected to a mechanical solid-liquid separation, wherein advantageously the digestate I in a screw press, belt filter press, decanter centrifuge, membrane filter press, chamber filter press, vibrating screen of a solid-liquid separation is subjected, or even more advantageously with a vibrating screen Degree of separation between 30 microns and 3 mm, preferably 1 mm, is realized.
  • the liquid phase is subjected to a mechanical comminution and / or an ultrasonic treatment, wherein advantageously the mechanical comminution by a rotor-stator system, advantageously Scherspalthomogenisatoren performed, and more advantageously in the rotor-stator system, a peripheral speed of the rotor between 10th and 50 m / s is realized, or the ultrasonic treatment is carried out with a frequency between 16 and 1000 kHz.
  • the products of the process step to increase the solid surface and to remove dissolved gases are fed to another, separate from the biogas plant, fermenter, more advantageously, the products in the separate fermenter within 6h to 5 days in the fermenter biodegradation be subjected under anaerobic conditions, or even more advantageously, the products are fed to the further fermenter Hydrolysis process step of the biogas plant.
  • the device according to the invention for the treatment of biogenic substances for the production of biogas consists of a biogas production plant, at least one device for solid-liquid separation of fermentation residues of a biogas production plant and a device for enlarging the solid surface and for removing dissolved gases.
  • the solid-liquid separation device is a screw press, belt filter press, decanter centrifuge, membrane filter press, chamber filter press, vibrating screen.
  • the device for increasing the solid surface and for removing dissolved gases a mechanical crushing device and / or an ultrasonic device, wherein still advantageously the mechanical crushing device
  • the ultrasonic device consists of sonotrodes with a power of 100 W to 50 kW.
  • fermenter is present.
  • the device for increasing the solid surface and for removing dissolved gases in series with the other fermenter is arranged, or is arranged in the other fermenter, or is arranged after the other fermenter, advantageously in the case of the arrangement of Device for enlarging the solid surface and for removing dissolved gases after the further fermenter the products of Device for increasing the solid surface and for the removal of dissolved gases are again fed completely to the other fermenter.
  • the fermentation residues which are produced after the fermentation of biogenic substances in biogas production plants are fed to a further use of biogas.
  • the subsequent solid-liquid separation removes the solids and coarse particles (essentially with a diameter of> 1 mm) from the digestate I.
  • This can for example be realized with screw presses, belt presses, decanter centrifuges, membrane filter presses, chamber filter presses or vibrating screens.
  • the resulting in the solid-liquid separation solid is very nutrient-rich and can be applied as a field edge rent.
  • the liquid phase after the solid-liquid separation also contains solid in the form of particles, fibers, suspended particles, microorganisms, biomass, etc.
  • This liquid phase is then either a device for enlarging the solid surface and for removing dissolved gases or another fermenter supplied, wherein the fermenter itself may contain the device for enlarging the solid surface and for removing dissolved gases, or the digestate II, which arises after the fermentation of the liquid phase of digestate I in another digester, all or part of a device for increasing the solid surface and Removal of dissolved gases can be supplied.
  • the fermentation residue II treated in the apparatus for enlarging the solid surface and for removing dissolved gases is returned as completely as possible to the further fermenter.
  • the device for enlarging the solid surface and for removing dissolved gases may advantageously be a shear-gap homogenizer and / or an ultrasonic system and / or a stirred ball mill.
  • the treatment of the liquid phase of digestate I in another fermenter containing a device for increasing the surface area of the solid and for removing dissolved gases can not be realized with a shear-gap homogenizer or a stirred ball mill.
  • the solids contained in the liquid phase are further digested by increasing their surface area and at the same time transferring the gas dissolved in the liquid into the gaseous state.
  • the gas is discharged from this device, cleaned and fed to the biogas utilization, or fed together with the digested solids again a fermentation.
  • the supply of the digestate I to another, separate from the biogas plant, fermenter leads to a further biodegradation of the existing biogenic substances and has the advantage that this additional fermenter can be made much smaller and / or that the residence time of the liquid phase in this further Fermenter significantly lower, for example, only 12 h to 2 days.
  • digestate II a second digestate (digestate II), either a repository and / or the hydrolysis process step or fed to the fermenters of the biogas plant.
  • the digestate Il is anaerobically stabilized.
  • the feeding of the digestate Il to the hydrolysis process step of the biogas production plant has the advantage that the biogenic substances still contained in the digestate Il can be returned to the overall process and used for biogas production.
  • the supply of the digestate Il to the hydrolysis process step has the further advantage that mashing water for the biogenic residues can be saved. This will make the overall process even more efficient.
  • Parts of the digestate Il of the further fermenter can also be fed directly to a repository, as this digestate Il is also very nutrient-rich and can be applied as field edge rent or can be used as fertilizer or its nutrients can be used as magnesium ammonium phosphate (MAP).
  • this digestate Il is also very nutrient-rich and can be applied as field edge rent or can be used as fertilizer or its nutrients can be used as magnesium ammonium phosphate (MAP).
  • MAP magnesium ammonium phosphate
  • Fig. 1 shows the schematic structure and procedure of the solution according to the invention
  • the fermentation residue I 3 produced from biogenic substances agricultural effluents 1 in a biogas production plant with a fermenter 2 is pumped to a vibrating screen 4 with a mesh width of 1 mm.
  • the resulting after the vibrating screen 4 thick material 5 is transferred to a Feldrandmiete.
  • the liquid phase 6 after the vibrating screen 4 is pumped in a tubular reactor 7 with an ultrasonic sonotrode and flows at 0.1 m / s into the tubular reactor 7.
  • the ultrasonic sonotrode operates at a frequency of 25 kHz.
  • the liquid phase is exposed to the ultrasound for 7 seconds. In the process, biogas dissolved in the liquid phase is transferred into the gas phase from the tubular reactor to the entire volume of biogas.
  • the fermentation residue I 3 produced from biogenic substances of a sewage treatment plant 1 in a biogas production plant with a fermenter (digestion tower) 2 is pumped to a decanter centrifuge 4.
  • the resulting after the decanter centrifuge 4 5 thick stock is used as fertilizer.
  • the liquid phase 6 after the decanter centrifuge 4 is pumped into an inline shear gap homogenizer, which is located in the tubular reactor 7, and flows at 0.2 m / s in the tubular reactor 7.
  • the inline shear gap homogenizer operates at a peripheral speed of 23 m / s.
  • the liquid phase is exposed to the inline shear-gap homogenizer for 4 s.
  • biogas dissolved in the liquid phase is transferred into the gas phase from the tubular reactor to the total biogas yield.
  • the liquid phase treated in this way is pumped into a further fermenter 8 and remains there for one day.
  • the existing biogenic substances in biogas 10 are converted from carbon dioxide, methane and traces of ammonia, and an additional 8% of total biogas volume produced, which also increases the overall biogas yield.
  • the remaining digestate Il 9 is fed to the fermenter (digestion tower) of the biogas plant.
  • the fermentation residue I 3 produced from biogenic substances from landfill effluents 1 in a biogas production plant with a fermenter 2 is pumped according to Example 2 to a membrane filter press 4, there a solid-liquid separation and pumped into a tubular reactor 7, which first contains an in-line shear-gap homogenizer with a peripheral speed of 10 m / s and subsequently an ultrasonic sonotrode with a frequency of 30 kHz, and lingers in the tube reactor for 5 s.
  • the biogas dissolved in the liquid phase is transferred from the tube reactor to the total biogas yield and an additional 10% of total biogas volume produced, and the remaining liquid phase is fed to fermenter 2 of the biogas plant for further biogas production.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energieerzeugung und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie beispielsweise in einer Biogaserzeugungsanlage eingesetzt werden können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit dem die Biogasausbeute von Biogaserzeugungsanlagen gesteigert wird. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem der aus einem Fermenter stammende Gärrest I einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen wird und nachfolgend die Flüssigphase von Gärrest einem Verfahren zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen unterworfen und die entstehenden Produkte entweder dem oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem weiteren Fermenter zugeführt werden. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, bestehend aus Biogaserzeugungsanlage, mindestens einer Vorrichtung zur Fest-Flüssigtrennung von Gärresten einer Biogaserzeugungsanlage und einer Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung biogener Stoffe zur Erzeugung von Biogas
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Biochemie und der Energieerzeugung und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung biogener Stoffe zur Erzeugung von Biogas, wie sie beispielsweise in einer Biogaserzeugungsanlage eingesetzt zur Erhöhung der Biogasquantität beitragen können.
Landwirtschaftliche Biogasanlagen geraten durch steigende Rohstoffpreise für die Substrate in wirtschaftliche Schwierigkeiten. Verfahren und Vorrichtungen, bei denen die Effizienz des Fermentationsprozesses derart gesteigert wird, dass mehr Biogas entsteht und die Qualität des erhaltenen Biogases verbessert wird, werden daher gesucht. Eine Verbesserung des Biogases bedeutet eine Steigerung des Anteiles an Methan und eine Verringerung an Kohlendioxid und von nachteiligen Spurenstoffen, wie z.B. Schwefelwasserstoff. Ziel jeder Entwicklung auf diesem Gebiet ist daher die Verbesserung des Fermentationsprozesses und der nachfolgenden Verfahrensschritte. Es ist bereits bekannt, dass aus Gärresten von Biogasanlagen gelöste Gase, wie Ammoniak oder Kohlendioxid, aus der Flüssigkeit durch Ultraschall entfernt werden und diese durch weitere Behandlungsschritte zu Düngemittel umgewandelt werden können.
So ist nach DE 10 2006 015 496 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Stickstoffdünger aus biogenen Stoffen bekannt, wobei der Gärrest aus Biogasanlagen in einem Entgasungsbehälter mit Ultraschall beaufschlagt wird. Dadurch werden die in der Biogasanlage entstehenden Gase Ammoniak und Kohlendioxid entfernt. Als zweite Möglichkeit zur Anwendung von Ultraschall wird die Umsetzung von Ammoniakgas mit CaSO4 in wässriger Lösung oder Suspension angeführt. Dabei wird die Umsetzung durch die Schaffung neuer Oberflächen am Feststoff und eine effiziente Durchmischung beschleunigt.
Weiterhin ist aus DE 102 05 950 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von ammonium-, phosphat- und kaliumhaltigen Flüssigkeiten bekannt. Dabei werden in einem mehrstufigen Verfahren aus Abwässern die Feststoffe mechanisch abgetrennt, eine Feinfiltration durchgeführt, die Fällung von Ammonium und Phosphor realisiert, die organischen Reststoffe unter aeroben Bedingungen biologisch abgebaut und die im Abwasser noch vorhandenen organischen Verbindungen und Salze abgetrennt. Diese Lösung bringt Vorteile für die Gewinnung von Dünger aus Gärrest, da eine Abtrennung der Flüssigkeit von partikulären Substanzen und Feststoffen erfolgt, wodurch die folgenden Verfahrensschritte in einer nahezu partikelfreien Flüssigkeit durchgeführt werden können. Nachteilig an dieser Verfahrensweise ist jedoch, dass die im Gärrest gelösten und ungelösten Gase nicht vollständig der weiteren Verwertung zu Dünger zugänglich gemacht werden können. Ein weiterer Nachteil besteht in der hohen organischen Fracht in der Flüssigphase des Gärrestes, die Werte zwischen 60 und 80 % annehmen kann. Die vorhandene organische Fracht ist weitestgehend nicht abgebaut und muss entsorgt werden. Dabei geht das in dieser Fraktion vorhandene Gaspotential verloren. Nachteilig bei den Lösungen des Standes der Technik ist, dass in allen bekannten Verfahren und Vorrichtungen die vorhandenen Potentiale für die Erzeugung von Biogas nicht in einem gesteigerten Umfang ausgenutzt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Behandlung biogener Stoffe zur Erzeugung von Biogas, mit dem die Biogasausbeute von Biogaserzeugungsanlagen gesteigert wird.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung biogener Stoffe zur Erzeugung von Biogas wird der aus einer Biogaserzeugungsanlage mit mindestens einem Fermenter stammende Gärrest I einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen, nachfolgend die Flüssigphase von Gärrest I
- einem Verfahren zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen unterworfen und die entstehenden Produkte entweder dem oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem weiteren Fermenter zugeführt werden, wobei im Falle der Zuführung zu einem weiteren Fermenter der dort entstehende Gärrest Il dem Hydrolyseverfahrensschritt und/oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem Endlager zugeführt werden, oder
- einem weiteren Fermenter zugeleitet wird, der neben der Fermentation auch ein Verfahren zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen realisiert, und der entstehende Gärrest Il dem Hydrolyseverfahrensschritt und/oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem Endlager zugeführt werden, oder
- einem weiteren Fermenter zugeführt wird und der entstehende Gärrest Il mindestens teilweise einem Verfahren zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen unterworfen wird, und die Verfahrensprodukte dem weiteren Fermenter und/oder dem Hydrolyseverfahrensschritt und/oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem Endlager zugeführt werden.
Vorteilhafterweise werden als biogene Stoffe nachwachsende Rohstoffe, Klärschlämme, landwirtschaftliche Abwässer, Deponieabwässer, Abwässer aus Abfallbehandlungsanlagen, biogene Rest- oder Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie und/oder der Landwirtschaft eingesetzt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird der Gärrest I einer mechanischen Fest-Flüssig- Trennung unterzogen, wobei noch vorteilhafterweise der Gärrest I in einer Schneckenpresse, Siebbandpresse, Dekantierzentrifuge, Membranfilterpresse, Kammerfilterpresse, Schwingsieb einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen wird, oder noch vorteilhafterweise mit einem Schwingsieb ein Trenngrad zwischen 30 μm und 3 mm, vorzugsweise 1 mm, realisiert wird.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die Flüssigphase einer mechanischen Zerkleinerung und/oder einer Ultraschallbehandlung unterworfen, wobei noch vorteilhafterweise die mechanische Zerkleinerung durch ein Rotor-Stator-System, vorteilhafterweise Scherspalthomogenisatoren, durchgeführt wird, und noch vorteilhafterweise beim Rotor-Stator-System eine Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zwischen 10 und 50 m/s realisiert wird, oder die Ultraschallbehandlung mit einer Frequenz zwischen 16 und 1000 kHz durchgeführt wird.
Und auch vorteilhafterweise werden die Produkte des Verfahrensschrittes zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen einem weiteren, von der Biogaserzeugunganlage separaten, Fermenter zugeführt, wobei noch vorteilhafterweise die Produkte in dem separaten Fermenter innerhalb von 6h bis 5 Tagen in dem Fermenter einem biologischen Abbau unter anaeroben Bedingungen unterzogen werden, oder noch vorteilhafterweise die Produkte nach dem weiteren Fermenter dem Hydrolyseverfahrensschritt der Biogaserzeugungsanlage zugeführt werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Dickstoffe aus der Fest-Flüssig-Trennung einem Endlager zugeführt werden. Auch vorteilhaft ist es, wenn Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigphasen zwischen 0.005 m/s bis 2 m/s realisiert werden.
Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren kontinuierlich betrieben wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung biogener Stoffe zur Erzeugung von Biogas besteht aus einer Biogaserzeugungsanlage, mindestens einer Vorrichtung zur Fest-Flüssigtrennung von Gärresten einer Biogaserzeugungsanlage und einer Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung eine Schneckenpresse, Siebbandpresse, Dekantierzentrifuge, Membranfilterpresse, Kammerfilterpresse, Schwingsieb.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen eine mechanische Zerkleinerungsvorrichtung und/oder eine Ultraschallvorrichtung, wobei noch vorteilhafterweise die mechanische Zerkleinerungsvorrichtung
Scherspalthomogenisatoren oder Rührwerkskugelmühlen sind, oder noch vorteilhafterweise die Ultraschallvorrichtung aus Sonotroden mit einer Leistung von 100 W bis 50 kW besteht.
Weiterhin vorteilhafterweise ist ein weiterer, von der Biogaserzeugunganlage separater, Fermenter vorhanden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen in Reihe mit dem weiteren Fermenter angeordnet ist, oder in dem weiteren Fermenter angeordnet ist, oder nach dem weiteren Fermenter angeordnet ist, wobei vorteilhafterweise im Falle der Anordnung der Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen nach dem weiteren Fermenter die Produkte der Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen wieder vollständig dem weiteren Fermenter zugeführt sind.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, das in den Gärresten von Fermentern von Biogaserzeugungsanlagen noch vorhandene Biogaspotential zugänglich zu machen und damit die Biogasausbeute einer Biogaserzeugungsanlage um mindestens 7 - 10 % zu steigern. Diese Steigerung ist signifikant, wodurch die Effektivität einer solchen Biogaserzeugungsanlage weiter gesteigert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Gärreste, die nach der Fermentation von biogenen Stoffen in Biogaserzeugungsanlagen entstehen (Gärrest I), einer weiteren Biogasnutzung zugeführt. Durch die nachfolgende Fest-Flüssig- Trennung werden die Feststoffe und Grobpartikel (im Wesentlichen mit einem Durchmesser von > 1 mm) aus dem Gärrest I entfernt. Das kann beispielsweise mit Schneckenpressen, Siebbandpressen, Dekantierzentrifugen, Membranfilterpressen, Kammerfilterpressen oder Schwingsieben realisiert werden.
Der bei der Fest-Flüssig-Trennung entstehende Feststoff ist sehr nährstoffhaltig und kann als Feldrandmiete ausgebracht werden.
Die Flüssigphase nach der Fest-Flüssig-Trennung enthält aber auch noch Feststoff in Form von Partikeln, Fasern, Schwebteilchen, Mikroorganismen, Biomasse usw.. Diese Flüssigphase wird dann entweder einer Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen oder einem weiteren Fermenter zugeführt, wobei der Fermenter selbst die Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen enthalten kann oder der Gärrest II, der nach der Fermentation der Flüssigphase von Gärrest I im weiteren Fermenter entsteht, ganz oder teilweise einer Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen zugeführt werden kann. Im letzteren Falle ist es vorteilhaft, wenn der in der Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen behandelte Gärrest Il möglichst vollständig wieder dem weiteren Fermenter zugeführt wird. Die Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen kann dabei vorteilhafterweise ein Scherspalthomogenisator und/oder eine Ultraschallanlage und/oder eine Rührwerkskugelmühle sein. Die Behandlung der Flüssigphase von Gärrest I in einem weiteren Fermenter, der eine Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen enthält, kann nicht mit einem Scherspalthomogenisator oder einer Rührwerkskugelmühle realisiert werden.
Mit dieser Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen werden die in der Flüssigphase enthaltenen Feststoffe weiter aufgeschlossen, indem ihre Oberfläche vergrößert und gleichzeitig dass in der Flüssigkeit gelöste Gas in den gasförmigen Zustand überführt wird. Das Gas wird aus dieser Vorrichtung ausgetragen, gereinigt und der Biogasverwertung zugeführt, oder auch zusammen mit den aufgeschlossenen Feststoffen wieder einer Fermentation zugeführt.
Die Zuführung des Gärrestes I zu einem weiteren, von der Biogaserzeugungsanlage separaten, Fermenter führt zu einem weiteren biologischen Abbau der vorhandenen biogenen Stoffe und hat den Vorteil, dass dieser weitere Fermenter wesentlich kleiner ausgeführt werden kann und/oder dass die Verweilzeiten der Flüssigphase in diesem weiteren Fermenter wesentlich geringer, beispielsweise nur 12 h bis 2 Tage sind.
Wenn die weitere Behandlung Flüssigphase von Gärrest I in einem weiteren, separaten Fermenter unter anaeroben Bedingungen durchgeführt wird, dann wird das entstandene Biogas der Biogasverwertung zugeleitet, und die weiteren Produkte, ein zweiter Gärrest (Gärrest II), entweder einem Endlager und/oder dem Hydrolyseverfahrensschritt oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage zugeführt.
Dabei ist von besonderem Vorteil, dass der Gärrest Il anaerob stabilisiert ist. Die Zuführung des Gärrestes Il zu dem Hydrolyseverfahrensschritt der Biogaserzeugungsanlage hat den Vorteil, dass die in dem Gärrest Il noch enthaltenen biogenen Stoffe wieder dem Gesamtprozess zugeführt und zur Biogaserzeugung genutzt werden können. Die Zuführung des Gärrestes Il zu dem Hydrolyseverfahrensschritt hat weiterhin den Vorteil, dass Anmaischwasser für die biogenen Reststoffe eingespart werden kann. Damit wird der Gesamtprozess noch effizienter.
Teile des Gärrestes Il des weiteren Fermenters können auch direkt einem Endlager zugeleitet werden, da dieser Gärrest Il auch sehr nährstoffhaltig ist und als Feldrandmiete ausgebracht werden kann oder als Dünger genutzt werden kann oder dessen Nährstoffe als Magnesiumammoniumphosphat (MAP) genutzt werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine wirtschaftliche und umweltgerechte Aufbereitung der Gärreste von Fermentern von Biogaserzeugungsanlagen erreicht und gleichzeitig die Gasausbeute gesteigert.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt
Fig. 1 den schematischen Aufbau und Verfahrensablauf der erfindungsgemäßen Lösung
Beispiel 1 (Fig. 1 )
Der aus biogenen Stoffen landwirtschaftlichen Abwässer 1 in einer Biogaserzeugungsanlage mit einem Fermenter 2 erzeugte Gärrest I 3 wird zu einem Schwingsieb 4 mit einer Maschenweite von 1 mm gepumpt. Der nach dem Schwingsieb 4 entstandene Dickstoff 5 wird zu einer Feldrandmiete überführt. Die Flüssigphase 6 nach dem Schwingsieb 4 wird in einem Rohrreaktor 7 mit einer Ultraschallsonotrode gepumpt und strömt mit 0,1 m/s in den Rohrreaktor 7. Die Ultraschallsonotrode arbeitet mit einer Frequenz von 25 kHz. Die Flüssigphase ist dem Ultraschall 7 s ausgesetzt. Dabei wird in der Flüssigphase gelöstes Biogas in die Gasphase überführt aus dem Rohrreaktor dem gesamten Volumen an Biogas zugeleitet Nach dem Durchströmen des Rohrreaktors wird die so behandelte Flüssigphase in einen weiteren Fermenter 8 gepumpt und verbleibt dort für 1 Tag. Während dieser Zeit werden die vorhandenen biogenen Stoffe in Biogas 10 umgewandelt und ein zusätzlicher Anteil von 10 % bezogen auf das gesamte bisher entstandene Biogasvolumen hergestellt, das ebenfalls die Gesamtbiogasausbeute steigert. Der verbleibende Gärrest Il 9 wird dem Hydrolyseverfahrensschritt der Biogaserzeugungsanlage zugeleitet. Das erzeugte Biogas wird in einem Blockheizkraftwerk verwertet.
Beispiel 2
Der aus biogenen Stoffen einer Kläranlage 1 in einer Biogaserzeugungsanlage mit einem Fermenter (Faulturm) 2 erzeugte Gärrest I 3 wird zu einer Dekantierzentrifuge 4 gepumpt. Der nach der Dekantierzentrifuge 4 entstandene Dickstoff 5 wird als Dünger weiterverwendet. Die Flüssigphase 6 nach der Dekantierzentrifuge 4 wird in einen Inline Scherspalthomogenisator, der sich im Rohrreaktor 7 befindet, gepumpt und strömt mit 0,2 m/s in den Rohrreaktor 7. Der Inline Scherspalthomogenisator arbeitet mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 23 m/s. Die Flüssigphase ist dem Inline Scherspalthomogenisator 4 s ausgesetzt. Dabei wird in der Flüssigphase gelöstes Biogas in die Gasphase überführt aus dem Rohrreaktor der Gesamtbiogasausbeute zugeleitet Nach dem Durchströmen des Rohrreaktors wird die so behandelte Flüssigphase in einen weiteren Fermenter 8 gepumpt und verbleibt dort für 1 Tag. Während dieser Zeit werden die vorhandenen biogenen Stoffe in Biogas 10 aus Kohlendioxid, Methan und in Spuren Ammoniak umgewandelt und ein zusätzlicher Anteil von 8 % bezogen auf das gesamte bisher entstandene Biogasvolumen hergestellt, das ebenfalls die Gesamtbiogasausbeute steigert. Der verbleibende Gärrest Il 9 wird dem Fermenter (Faulturm) der Biogaserzeugungsanlage zugeleitet.
Beispiel 3
Der aus biogenen Stoffen aus Deponieabwässern 1 in einer Biogaserzeugungsanlage mit einem Fermenter 2 erzeugte Gärrest I 3 wird gemäß Beispiel 2 zu einer Membranfilterpresse 4 gepumpt, dort einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen und in einen Rohrreaktor 7 gepumpt, der zuerst einen inline Scherspalthomogenisator mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 10 m/s und nachfolgend eine Ultraschallsonotrode mit einer Frequenz von 30 kHz enthält, und in dem Rohrreaktor für 5 s verweilt. Dabei wird das in der Flüssigphase gelöste Biogas in die Gasphase überführt aus dem Rohrreaktor der Gesamtbiogasausbeute zugeleitet und ein zusätzlicher Anteil von 10 % bezogen auf das gesamte bisher entstandene Biogasvolumen hergestellt, und die verbleibende Flüssigphase wird dem Fermenter 2 der Biogaserzeugungsanlage zur weiteren Biogaserzeugung zugeleitet.
Bezugszeichenliste
1 Biogene Stoffe
2 Fermenter
3 Gärrest I
4 Fest-Flüssig-Trennung
5 Dickstoff
6 Flüssige Phase (Prozesswasser)
7 Rohrreaktor mit Ultraschallsonotrode oder Scherspalthomogenisator
8 Weiterer Fermenter
9 Gärrest Il
10 Biogas

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung biogener Stoffe zur Erzeugung von Biogas, bei dem der aus einer Biogaserzeugungsanlage mit mindestens einem Fermenter stammende Gärrest I einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen wird, nachfolgend die Flüssigphase von Gärrest I
- einem Verfahren zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen unterworfen und die entstehenden Produkte entweder dem oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem weiteren Fermenter zugeführt werden, wobei im Falle der Zuführung zu einem weiteren Fermenter der dort entstehende Gärrest Il dem Hydrolyseverfahrensschritt und/oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem Endlager zugeführt werden, oder
- einem weiteren Fermenter zugeleitet wird, der neben der Fermentation auch ein Verfahren zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen realisiert, und der entstehende Gärrest Il dem Hydrolyseverfahrensschritt und/oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem Endlager zugeführt werden, oder
- einem weiteren Fermenter zugeführt wird und der entstehende Gärrest Il mindestens teilweise einem Verfahren zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen unterworfen wird, und die Verfahrensprodukte dem weiteren Fermenter und/oder dem Hydrolyseverfahrensschritt und/oder den Fermentern der Biogaserzeugungsanlage und/oder einem Endlager zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als biogene Stoffe nachwachsende Rohstoffe, Klärschlämme, landwirtschaftliche Abwässer, Deponieabwässer, Abwässer aus Abfallbehandlungsanlagen, biogene Rest- oder Abfallstoffe aus der Lebensmittelindustrie und/oder der Landwirtschaft eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Gärrest I einer mechanischen Fest- Flüssig-Trennung unterzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Gärrest I in einer Schneckenpresse, Siebbandpresse, Dekantierzentrifuge, Membranfilterpresse, Kammerfilterpresse, Schwingsieb einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mit einem Schwingsieb ein Trenngrad zwischen 30 μm und 3 mm, vorzugsweise 1 mm, realisiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Flüssigphase einer mechanischen Zerkleinerung und/oder einer Ultraschallbehandlung unterworfen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die mechanische Zerkleinerung durch ein Rotor-Stator-System, vorteilhafterweise Scherspalthomogenisatoren, durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem beim Rotor-Stator-System eine Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zwischen 10 und 50 m/s realisiert wird .
9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Ultraschallbehandlung mit einer Frequenz zwischen 16 und 1000 kHz durchgeführt wird.
10.Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Produkte des Verfahrensschrittes zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen einem weiteren, von der Biogaserzeugunganlage separaten, Fermenter zugeführt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Produkte in dem separaten Fermenter innerhalb von 6h bis 5 Tagen in dem Fermenter einem biologischen Abbau unter anaeroben Bedingungen unterzogen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem die Produkte nach dem weiteren Fermenter dem Hydrolyseverfahrensschritt der Biogaserzeugungsanlage zugeführt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Dickstoffe aus der Fest-Flüssig- Trennung einem Endlager zugeführt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigphasen zwischen 0.005 m/s bis 2 m/s realisiert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Verfahren kontinuierlich betrieben wird.
16. Vorrichtung zur Behandlung biogener Stoffe zur Erzeugung von Biogas, bestehend aus Biogaserzeugungsanlage, mindestens einer Vorrichtung zur Fest-Flüssigtrennung von Gärresten einer Biogaserzeugungsanlage und einer Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen.
1 /.Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Vorrichtung zur Fest-Flüssig- Trennung eine Schneckenpresse, Siebbandpresse, Dekantierzentrifuge, Membranfilterpresse, Kammerfilterpresse, Schwingsieb ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen eine mechanische Zerkleinerungsvorrichtung und/oder eine Ultraschallvorrichtung ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die mechanische Zerkleinerungsvorrichtung Scherspalthomogenisatoren oder Rührwerkskugelmühlen sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Ultraschallvorrichtung aus Sonotroden mit einer Leistung von 100 W bis 50 kW besteht.
21. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der ein weiterer, von der Biogaserzeugunganlage separater, Fermenter vorhanden ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen in Reihe mit dem weiteren Fermenter angeordnet ist, oder in dem weiteren Fermenter angeordnet ist, oder nach dem weiteren Fermenter angeordnet ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der im Falle der Anordnung der Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen nach dem weiteren Fermenter die Produkte der Vorrichtung zur Vergrößerung der Feststoffoberfläche und zur Entfernung von gelösten Gasen wieder vollständig dem weiteren Fermenter zugeführt sind.
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