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DE29605625U1 - Anlage zur Vergärung von organischen Abfallstoffen - Google Patents

Anlage zur Vergärung von organischen Abfallstoffen

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DE29605625U1
DE29605625U1 DE29605625U DE29605625U DE29605625U1 DE 29605625 U1 DE29605625 U1 DE 29605625U1 DE 29605625 U DE29605625 U DE 29605625U DE 29605625 U DE29605625 U DE 29605625U DE 29605625 U1 DE29605625 U1 DE 29605625U1
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Germany
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reactor
hydrolysis
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hydrolysis reactor
fermentation
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Rolf Ruediger Jessen
Petra Dr Rabe
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BIOPHIL GmbH
Mueller & Jessen GmbH
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BIOPHIL GmbH
Mueller & Jessen GmbH
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Description

Anlage zur Vergäx'ung von organische Abfallstoffen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine effizient und stabil arbeitende Anlage zur zweistufigen, in der ersten Stufe semianaeroben, in der zweiten Stufe anaeroben Vergärung von Abfallstoffen mit einem Gehalt an organischen Bestandteilen bis zu 25% unter Erzeugung von Methangas. Als organische Abfallstoffe werden im Sinne der Erfindung z.B. Lebensmittelabfälle aus der Gastronomie, aus Großküchen, Caterings, aus Einrichtungen des Handels und der Lebensmittelindustrie oder Klärschlämme, Schlachtabfälle oder auch Gülle verstanden. Aber auch Abfallstoffe, die mineralische Bestandteile in größerer Mengen enthalten, wie z.B. Schleifschlämme, Mineralöle und Lösungsmittel, werden mit der erfindungsgemäßen Anlage vergärt.
Die Abfallstoffe können als Mischungen oder als reine Fraktionen vorliegen und organische Bestandteile in beliebigen Anteilen im Verhältnis zu anorganischen Bestandteilen enthalten. Es können auch Mischungen aus Abfällen und Abwässern zugeführt werden. Wichtig ist in allen Fällen, daß der Gehalt an organischer Trockensubstanz (oTS) 25% nicht übersteigt.
In der Literatur werden eine ganze Reihe von Naßvergärungsverfahren von Biomüll unter Gewinnung von methanhaltigem Biogas beschrieben. Man unterscheidet hier prinzipiell zwischen ein- und zweistufigen Vergärungsverfahren, je nachdem, ob Hydrolyse/Versäuerung {„saure Gärung") und Methanisierung in einem Reaktor oder in zwei hintereinandergeschalteten Reaktoren stattfinden. Aus dem gebildeten Biogas können durch die Verwertung in Blockheizkraftwerken (BHKW) Strom und Wärme gewonnen werden, die den Eigenbedarf der Vergärungsaniage übersteigen. Neben dem methanhaltigen Biogas entsteht als Endprodukt der sogenannte Gärschlamm, der aus nicht abgebauter organischer Substanz, aus Bakterienmasse und Abwasser besteht.
Während bei der Kompostierung von Biomüll die organischen Anteile aerob in Anwesenheit von Sauerstoff mikrobiell zu Kohlendioxid, Wasser und festen Kompostruckständen umgesetzt werden, läuft die Vergärung (Fermentation) vorwiegend anaerob unter Luftabschluß ab.
Bei der einstufigen Vergärung kann der anaerobe Abbau unter mesophilen (35 bis 37°C) oder thermophilen (50 bis 600C, vorzugsweise 55°C) Bedingungen stattfinden
{vgl. z.B. D. J. Korz, B. Frick „Herstellerforum Bioabfall", 1995, BTA-Verfahren, Seiten 320-331).
Deutliche höhere Abbaugrade und eine höhere Prozeßstabilität werden jedoch bei der zweistufigen anaeroben Vergärung aufgrund der Trennung von Hydrolyse und Methanisierung erreicht, wobei hier die Hydrolyse bei Umgebungstemperatur oder bei mesophilen Temperaturen stattfinden kann. Der anaerobe Abbau in der zweiten Stufe der Methanisierung erfolgt vorzugsweise unter thermophilen Bedingungen; es sind jedoch auch zweistufige Verfahren bekannt, deren zweite Stufe unter mesophilen Bedingungen abläuft. Letztere Verfahren erfordern jedoch in der Regel eine zusätzliche Hygieriisierungsstufe, d.h., eine thermische Behandlung der homogenisierten Bioabfälle bei ca. 700C, die der anaeroben Behandlung vorgeschaltet ist {vgl. BTA-Verfahren, Seite 329) .
Bei einer anaeroben thermophilen Betriebsweise sollte die Hygienisierung, d.h. die Abtötung pathogener Keime, in der Regel durch eine Verweilzeit der Bioabfallsuspension von mindestens zwei Stunden bei 550C im Methanisierungsreaktor gewährleistet sein.
In DE 44 46 661 und dem dazugehörigen Gebrauchsmuster G 94 20 731.3 werden ein Verfahren und eine Anlage zur anaeroben zweistufigen Vergärung von Lebensmittelabfällen bis zu einem Gehalt an organischer Trockensubstanz von etwa 2 0% beschrieben. Das dort beschriebene Verfahren zur Vergärung von Lebensmittelabfällen beinhaltet die üblichen Schritte und zugehörigen Reaktoren eines anaeroben Zweistufen-Verfahrens, wobei die erste Stufe der Hydrolyse bei Umgebungstemperatur und die zweite Stufe der
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Methanisierung thermophil, also bei ca. 55°C, gefahren wird. Gemäß dem beschriebenen Verfahren ist nach der Zerkleinerung und Homogenisierung der Abfälle eine weitere Verdünnung nicht notwendig und die homogenisierten, fließfähigen Abfälle können durch Pumpen unmittelbar der ersten Stufe der Vergärung zugeführt werden. Bei diesem Verfahren erfolgt das Animpfen des Materials im Hydrolyse- und in den Bioreaktoren durch teilweise Rückführung der erzeugten Biomasse, so daß von außen keine Zusatzstoffe zugeführt werden müssen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Verfahren noch nicht hinreichend effizient und vor allem nicht stabil arbeitet. Insbesondere die Abtrennung und Rückführung der notwendigen Biomasse zum Animpfen ist ein äußerst uneffektives Verfahren, da die Biomasse nur über eine Filtration, möglichst bei hohem Druck, abgetrennt werden kann und das Filter sich häufig und schnell zusetzt. Die Instabilität des beschriebenen Prozeßes zeigt sich nach ca. sieben bis zehn Tagen, indem die produzierte Biogasmenge und die Konzentration an Methan im Biogas sinken, der Anteil an nichtabgebauter organischer Substanz im Gärreststoff und der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas steigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, das beschriebene Verfahren zur Naßvergärung von Lebensmittelabfällen hinsichtlich Effizienz und Stabilität zu verbessern und eine entsprechende Anlage zur Verfügung zu stellen, mit der der bakterielle Abbau der Lebensmittelabfälle beschleunigt werden kann, die stabil arbeitet und eine optimale Ausnutzung der Endprodukte gewährleistet. Daneben war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage
bereitzustellen, mit der nicht nur Lebensmittelabfälle, sondern jegliche Abfallstoffe mit einem oTS-Gehalt bis 25% vergärt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in Anspruch 1 angegebene Anlage und deren vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 bis 6 gelöst. Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß eine wesentliche Prozeßstabilität in der Hydrolyse- und Vorversäuerungsstufe erreicht wird, wenn der Hydrolysereaktor (7) kontinuierlich durch Druckluft über die Oberfläche des homogenisierten Materials oder über Vorrichtungen im Innern des Reaktors belüftet wird, die erste Stufe der Vergärung also nicht anaerob, sondern semianaerob geführt wird. Die Belüftungsrate ist abhängig von den Fettsäurespektren, die wiederum vom Anteil der unterschiedlichen Substanzen in der Zuführung wie Fette, Zucker, Stärke, Proteine abhängig sind. Die Fettsäurespektren können in Vorversuchen für das jeweilige zuzuführende Material mit an sich üblichen Methoden bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anlage deshalb so gestaltet, daß der Hydrolysereaktor 7 mit einem Kompressor 8 verbunden ist.
Daneben wird durch den gezielten Lufteintrag die Austreibung des entstehenden Schwefelwasserstoffes gefördert, so daß das in der Anlage erzeugte Biogas einen Schwefelwasserstoff-Gehalt weit unter der Nachweisgrenze von 10 ppm aufweist. Gleichzeitig wird durch den gezielten Lufteintrag der bakterielle Abbau im Hydrolysereaktor befördert.
Die Effizienz der Hydrolysestufe kann daneben weiter erhöht werden, wenn die Hydrolyse nicht bei
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Umgebungstemperatur (die Anlage steht in der Regel Sommers wie Winters im Freien), sondern bei mindestens 2O0C und maximal 400C, also unter mesophilen Bedingungen, durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird der Hydrolysereaktor in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem üblichen Temperaturregler ausgestattet, der die Temperatur auf mindestens 200C und maximal 4O0C reguliert. Hierdurch kommt es zu einer größeren Betriebssicherheit, da eine größere Anzahl von Mikroorganismen in diesem Temperaturbereich ihr Optimum hat.
Zur weiteren Verbesserung des beschriebenen Verfahrens im Hinblick auf schnelleren Durchsatz und Betriebsicherheit hat es sich als äußerst wirkungsvoll erwiesen, sowohl bei einem als auch bei zwei Methanisierungsreaktoren mindestens zwei Absetzbehälter anzuschließen, die alternierend arbeiten und eine minimale Ruhepause von mindestens 6 Stunden, besser 12 Stunden, gewährleisten. Dadurch wird die Aufkonzentrierung der Biomasse im Prozeßwasser wesentlich beschleunigt.
Weiterhin hat sich gezeigt, daß es bezüglich Verfahrensstabilität und -effektivität wesentlich ist, nicht die Biomasse, wie in DE 44 46 661 beschrieben, sondern Biomasse enthaltendes Prozeßwasser im Verhältnis zu der zugeführten Abfallmenge von vorzugsweise 2:1 bis 1:2 zum Animpfen in den Hydrolysereaktor 7 und gegebenenfalls in den Methanisierungsreaktor 11 zurückzuführen (siehe Rohrleitungssystem 15) . In den Methanisierungsreaktor 11 wird das Biomassen enthaltende Prozeßwasser im Verhältnis von 1:5 bis 1:10 zu der Menge an hydrolysiertem Material, das den Hydrolysereaktor
verläßt, zurückgeführt. Damit entfällt die aufwendige Abtrennung der Biomasse, es wird jeweils einfach das mit Biomasse aufkonzentrierte Prozeßwasser zurückgeführt, das sich im jeweiligen Absetzbehälter nach mindestens 6 Stunden im unteren Teil angesammelt hat.
Erfindungsgemäß werden ca. 40 - 60% des Prozeßwassers zurückgeführt, wodurch einerseits das Animpfen und andererseits gleichzeitig eine Verdünnung des Materials im Hydrolysereaktor von ca. 2:1 bis 1:2 gewährleistet ist. Diese Verdünnung, die bei dem beschriebenen Verfahren ausgeschlossen wird, bringt einen wesentlichen Vorteil hinsichtlich Verfahrensstabilität.
Desweiteren muß selbstverständlich eine vollständige Durchmischung der Reaktoren 7, 11.1 und 11.2 gewährleistet sein, wozu diese z.B. mit Rührwerken ausgerüstet sein können. Auch Umpumpen des Reaktorinhaltes oder Einblasen von Biogas sind möglich.
Zur Hygienisierung kann gewünschtenfalls, wenn es die gesetzlichen oder sonstige Vorschriften erfordern, dem Hydrolysereaktor 7 ein Hygienisierungstank 3 vorgeschaltet sein, in den aus dem Homogenisator 1 das zerkleinerte Material mittels Pumpe 2 eingeleitet und dann z.B. bei 70 bis 900C eine halbe bis eine Stunde erhitzt wird. Auch andere, z.B. mit Ozon arbeitende Hygieniserungseinheiten, sind denkbar.
Je nach zu vergärendem Material können die Einheiten 1, 3 und 5 vorhanden oder nicht vorhanden bzw. in anderer Reihenfolge angeordnet sein. Wenn z.B. Schleifschlämme vergärt werden sollen, kann sich eine Homogenisierung erübrigen, so daß die Homogeniserungseinheit 1
entfallen kann. Auch Speicher und Hygienisator sind nicht in jedem Fall notwendig. Für den Fall, daß sie notwendig sind, wird in einer bevozugten Variante der Erfindung ein Speicher mit integriertem Homogenisator (Fa. Müller + Jessen GmbH) verwendet. Hygienisierungstank 3 und Speicher 5 können gerührt sein oder nicht, je nach optimaler Verfahrensgestaltung entsprechend dem Ausgangsmaterial.
Werden Materialien mit hohem mineralischen Gehalt vergärt, so müssen im Absetzbehälter 13 zunächst als erstes die Feststoffe abgetrennt und gegebenenfalls in einen Feststoffbehälter 17 überführt werden, erst danach kann das mit der Biomasse aufkonzentrierte Prozeßwasser in die Hydrolyse und Methanisierungsstufe zurückgeführt werden.
Mit der erfindungsgemäßen kontinuierlich arbeitenden Anlage ist es möglich, vollautomatisch, betriebssicher und effektiv jegliche Abfälle mit einem oTS-Gehalt von maximal 25% zu vergären. Es handelt sich um ein hygienisch geschlossenes System. Die organische Substanz wird zu 90% abgebaut. Das erzeugte Biogas ist von hoher Qualität und enthält 65 - 75%, vorzugsweise; 70 - 75%, Methan.
Die Qualität des Biogases ermöglicht dem Betreiber der Anlage eine sinnvolle Nutzung. Möglich sind z.B. eine direkte thermische Verwertung, Strom- und Wärmeerzeugung über eine Kraft-Wärme-Kopplung oder die Einspeisung in das regionale Erdgasnetz.
Jede Funktionseinheit der Anlage (Speicher, Hydrolyse, Bioreaktor) verfügt zu ihrer Steuerung über ein.
Mikrocontrollermodul, das nach einem dynamisch anpaßbaren Programm die Prozeßparameter regelt.
Nachfolgend wird in Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage dargestellt. Alle Teile der technischen Anlage sowie die automatische Steuerung und das Rohrleitungssystem können als Modul ausgeführt sein, so daß die Verarbeitungskapazität durch weitere Module weiter gesteigert werden kann. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, daß alle Einheiten von gleicher Bauart und Baugröße sind. Auch die erfindungsgemäße Anlage läßt sich in einem transportablen Container unterbringen.
Bezugszeichenliste
1 Homogenisierungseinheit
2 Pumpe
3 Hygienisierungsvorrichtung
4 Pumpe
5 Speicher
6 Pumpe
7 Hydrolysereaktor
8 Kompressor
9 Abluftfilter
10 Pumpe
11.1 Methanisierungsreaktor
11.2 Methanisierungsreaktor
12 Pumpe
13 .1 Absetzbehälter 13.2 Absetzbehälter
14 Pumpe
15 Prozeßwasserrückführung
16 Prozeßrestwasserbehälter
17 Feststoffbehälter
18 Gasspeicher
19 Gasfackel
20 Blockheizkraftwerk

Claims (1)

  1. : V.V
    Schutzansprüche
    &igr;. Anlage zur zweistufigen Vergärung von organischen Abfallstoffen mit einem Gehalt an organischer Trockensubstanz von maximal 25%, umfassend einen Hydrolysereaktor (7) zur Hydrolyse und Vorversäuerung des organischen Materials, an den sich nachfolgend mindestens ein, vorzugsweise zwei, Methanisierungsreaktoren (11) zur thermophilen Vergärung des hydrolysierten und vorversäuerten Materials anschließt(en),
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Hydrolysereaktor (7) mittels Druckluft belüftbar ist,
    daß sich an den Methanisierungsreaktor (11) mindestens zwei parallel geschaltete Absetzbehälter {13.1, 13.2) zur Aufkonzentrierung der entstehenden Biomasse im Prozeßwasser anschließen, die alternierend betrieben werden und daß die Absetzbehälter (13.1, 13.2) über die Pumpe (14) und über die Rohrleitung (15) zur Prozeßwasserrückführung mit dem Hydrolysereaktor (7) und gegebenenfalls mit dem Methanisierungsreaktor (11) verbunden sind.
    2. Anlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Hydrolysereaktor (7) mit einem Kompressor zur Drucklufterzeugung (8) verbunden ist.
    Anlage nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Hydrolysereaktor (7) einen Temperaturregler aufweist, mit dem die Temperatur im Reaktor {7) im Bereich zwischen 20 bis 4O0C gehalten wird.
    4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Hydrolysereaktor (7) eine Homogenisierungseinheit (1) und/oder ein Speicher (5) vorgeschaltet ist.
    5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Hydrolysereaktor (7) eine Hygienisierungsvorrichtung (3) vorgeschaltet ist.
    6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie in einem transportablen Container angeordnet ist.
    25
    7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie in Modulbauweise errichtet ist, in der die einzelnen Reaktoren vollständig vorgefertigte Module darstellen.
DE29605625U 1996-03-15 1996-03-15 Anlage zur Vergärung von organischen Abfallstoffen Expired - Lifetime DE29605625U1 (de)

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