DD275858A1 - Verfahren zur aufbereitung von organischen abwaessern als substrat fuer fermentationsprozesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahrenskombination zur Aufbereitung von organischen Abwaessern als Substrat fuer Fermentationsprozesse. Ziel der Erfindung ist es, organische Bestandteile von industriellen und landwirtschaftlichen Abwaessern mittels definierter Saeurebildner in eine utilisierbare Form zu ueberfuehren, nicht konvertierbare Feststoffe und Mikroorganismen weitgehend abzutrennen und somit Fermentationsprozessen zur Biomasse- oder Biogasgewinnung verfuegbar zu machen. Die Anwendung der Erfindung ermoeglicht die Nutzung auch unkonventioneller bzw. suspekter Abwaesser bei weitgehender Ausnutzung des Substratpotentials.

Description

Risiken für Fermentationsprozeß und -produkt infolge hygienisch suspekter oder anderer schädlicher Substrateigenschaften sollen weitgehend ausgeschlossen werden.

Durch eine Eingliederung der Erfindung in Prozesse der Futtereiweiß· oder Biogasgewinnung können beträchtliche Effekte hinsichtlich Produktionseffektivität und ProzeßstabilitSt erreicht werden. Infolge der erzielten Feststoffabtrennung ist eine Verwendung von Fastbettreaktoren bei Nuttung Immobilisierter Mikroorganismen möglich. Im Falle von Fermentationsprodukten, die besonderen Qualitätsanforderungen hinsichtlich abtrennbarer Schadstoffe oder des Anteils suspekter Keimgruppen im Finalprodukt unterliegen, wird mit der Anwendung der Erfindung die ökonomische Nutzung unkonventioneller Substrate Oberhaupt erst denkbar.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Industrielle und landwirtschaftliche Abwässer erlangen als verfügbare und billige Substrate für Prozesse oer Wertctoffgewinnung eine zunehmende Bedeutung. Wertbestimmende Inhaitssioffe sind dabei organische Materialien, die in gelöster Form als organische Sauren ein gutes Substrat für verschiedene Fermentationen zur Produktion von Wertstoffen wie Biomasse, Biogas, Enzyme u. a. darstellen können. Nachteile dieser Substrate können in einem erhöhten Gehalt an suspendierten und nicht konvertierbaren Feststofffraktionen liegen, die sowohl die Produktqualität, die Effektivität durch geringe Ausbeuteraten als auch die Betriebssicherheit der Fermentationsprozesse negativ beeinflussen. Speziell der suspekte Charakter von Abwässern fäkaler Herkunft, z.B. Gülle, kann zu Einschränkungen einer Nutzung als Substrat durch eine erhöhte Infektionsgefahr Im Fermentationsprozeß und der Fermentationsprodukte selbst führen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufwertung und Aufbereitung von organischen Abwässern als Substrat zur Wertstoffgewinnung über Fermentationsprozesse. Erfindungsgemäß soll dabei das als Substrat zu nutzende- Abwasser in einer möglichst feststoffarmen Form mit TS-Geha!ton von 0,5-1,0% einer Membranfiltration zugeführt werden. Eine möglicherweise feststoffreiche Phase des Abwassers, die übet- herkömmliche Methoden der Feststoffabtrennung vorher zu gewinnen ist, oder aber auch ein feststoffreicher organischer Schlamm anderer Herkunft, werden einer anaeroben Behandlung mit definierten Säurebildnern unter Verweilzeiten von 1... 10 Tagen zugeführt, wobei mit einer gezielten Prozeßiührung im pH-Bereich von 5,5-6,5 ein Aufschluß der Trockensubstanz und deren mikroblelle Konvertierung zu niedermolekularen Fettsäuren erreicht und eine methanogene Phase Im Reaktor unterdrückt wird. Der Reaktorablauf wird über einen nach dem herkömmlichen Prinzip der Schwerkraftabscheidung arbeitenden Absetzbecken feststoffentlastet, wobei der als Sediment anfallende teilmineralisierto Schlamm einer landwirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden kann. Der mit gelösten niedermolekularen Fettsäuren angereicherte Überstand wird gleichfalls einer Membranfiltration unterzogen. Über diese Membranfiltration wird mittels entsprechend Anwendungsfall wahlweisem Mumbraneinsatz eine weitgehende Reinigung der gesamten Flüssigkeit an ungelösten Stoffen und unerwünschten Mikroorganismen erreicht, wobei die für eine Fermentation wertbestimmenden gelösten Substanzen (z. B. Acetat, Butyrat) die Membran passieren. Das Retentat wird in den Säurereaktor zurückgeführt. Das Verfahren liefert ein feststofffreies, homogenes und keimarmes Substrat für unterschiedliche Fermentationsprozesse, beispielsweise zur mikrowellen Futtereiweiß· oder Biogasgewinnung auf Güllebasis, mit einer auf die Anfallform bezogen erhöhten Konzentration an utilislerbaren, niedermolekularen Fettsäuren und einen teilweise mineralisierten Restschlamm, der entsprechend Aufschlußgrad und anderer Inhaltsstoffe landwirtschaftlich verwertet oder anderweitig bereitigt wird.

AusfOhrungsbelsplel

Schwoinegülle mit einem TS-Gehalt von 1,5% wird durch Eindickung feststoffontlastet und einer Ultrafiltration (Collulosoacetatmembran CA-M-UF150) zugeführt (1). Der anfallende Schlamm aus der Eindickung (5) sowie das Retentat ausr zugeführt, der für 8 Tage Aufenthaltszeit bemessen Ist. Alb Inokulum diente eine Mischkultur von Cl. butyrlcum, Cl acotobutylicum und Cl. paraputrificum, für die geeignete Mlliei'üedingungen mit T= 37'C und einem pH-Wert von 6.0 eingestellt wurden. Der Ablauf des Säurereaktors (6) wird über Eindickung einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen, wobei der Überlauf (3) unter Vermischung mit der feststoffentlastoton Schweinegülle (1) der Membranfiltration zugeführt wird (2). Der Eindickerschlamm (7) wird aus dem Kreislauf ausgegrenzt. Das Pormeat der Membranfiltration (8) stellt das Substrat für einen Fermentationsprozeß dar.

Qualitative Kennzeichnung der Stoffströme

Stofftrom	m	CfB	nvs	KZ	CTS
	(1/h)	(g/l)	(g/h)	(ml"1)	(g/l)
(D	8	3	24	10«	7
(2)	10	5.4	54
(3)	2	15	30
(4)	1	5.4	5.4
(5)	2	3.4	6.8	10'°	80
(6)	3	15	45
(7)	1	15	15
(8)	9	6.4	48.6	<10*	2

Ausgangsprodukte: Stoffstrom (1), Stoffstrom (5) Zielprodukt: Stoffstrom (8)

m - Volumenstrom Cfs - Konzentration Fettsäure rrifs - FettsSurestrom KZ - Keimzahl Cts - Trockensubstanz

Claims (4)

1. Verfahren zur Aufbereitung von organischen Abwässern als Substrat für Fermentationsprozesse mittels bekannter Verfahren der anaeroben Abwasseraufbereitung und mechanischen Abtrennung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Säurereaktor, ein Absetzbecken und eine Membranfiltration derart kombiniert ν-erden, daß ein erster Abwasserstrom mittels Membranfiltration gereinigt wird und mit dem entstehenden Retentat ein Säurereaktor, in den ein zweiter feststoffreicher Abwasserstrom eingeleitet wird, beschickt und durch Einsatz definierter Mikroorganismen gesäuert wird, wonach eine Feststoffabtrennung über eine Sedimentation und eine Vermischung der fettsäureangereicherten Flüssigphase mit dem ersten Abwasserstrom vor der Membranfilteranlage erreicht wird.

2. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abprodukt der Membranfiltration (Retentat) durch Rückführung in den Säurereak\or anaerob aufgeschlossen und somit für eine Fermentation teilweise wieder verfügbar gemacht wird.

3. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichzeitige Verwertung zweier völlig unterschiedlicher Abwässer oder Abwasserschlämme mit dem Ziel einer für Fermentationsprozesse notwendigen C- oder N-Supplementierung in einem innerprozeßlichen Kreislauf behandelt werden.

4. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Säurebildung aus organischen Abwasserinhaltsstoffen definierte anaerobe Säurebildner, vorzugsweise eine Clostridien-Mischkultur, eingesetzt werden.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet dor Biotechnologie und ist in die Patentklassifikation C 02 F einzordnen. Sie ermöglicht eine erweiterte Auswahl biotechnologisch unkonventioneller Substrate zur Gewinnung von biogenon Wertstoffen über klassische Fermentationsprozesse. Mit der Anwendung wird neben einer Abtrennung von Feststoffen die Umwandlung ungelöster organischer Inhaltsstoffe von Abwässern und Schlämmen zu gelösten utilisiorbaren Fettsäuren durch säurebildende Mikroorganismen erreicht, die gemeinsam mit den nach der Säuerungsstufe anfallenden Feststoffpartikeln weitgehend abgetrennt werden. Das Ergebnis ist ein flüssiges Substrat, das infolge einer Anreicherung von Fettsäuren bei gleichzeitigem Ausschluß von Fest- und Ballaststoffen sowie unerwünschten Keimarten für Fermentationsprozesse beisp'qlsweise zur Futtereiweißgewinnung auf Güllebasis odor auch zur Methangasgewinnung mittels immobilisierter Mikroorganismen besonders geeignet ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Nutzung von Abwässern zur Gewinnung von Biomasse als Fuf lorstoff odor Biogas sind umfangroiche Kenntnisse vorhanden. Die Gewinnung von Biomasse unterliegt engen Qualitätsansprüchen, die bisher die Nutzung suspekter Substrate weitgehond ausschließt. Bei der Verwendung von Abwässern sind als Möglichkeiten der Substrataufwortung bzw. -supplomentiorung die Zuführung reiner Produkte wie Methanol bekannt. Weitergehende Lösungen sind für Bicgasprozesse entwickelt worden, dia neben der Gewinnung von Biogas auf eine umweltgerechte Aufarbeitung der Substrate ausgerichtet sind. Stand der Technik sind Verfahren, die im Prozeß der anseroben Abwasseraufbereitung die acetogene und methanogene Prozeßstufe zeitlich und räumlich trennen und damit eine Effektivitätserhöhung des Biogasprozesses bewirken (DD 245861, DD 225983) Eine zusätzliche Erhöhung des Ausfaulgrades kann mit einer Feststoffrückführung aus der methanogonen in die acetogene Phase erreicht werden (DD 211644). Feststoffreiche Substrate werden zu ihrer Aufarbeitung nach einor anaeroben '/«ifahrensstufo über die Wirkung der natürlichen Schwerkraft eingedickt, wonach das entstehende Dünnwasser aerob thermophil und mesophil aufbereitet wird (DD 249693). Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zur Entkopplung von flüssiger Phaso und Feststoffpartikeln im acetogenen Reaktor durch ein Filtermedium, das gleichzeitig als Besiedlungsfläche für Mikroorganismen dient (EP 0132649) und somit eine woitgehende Abwasserreinigung durch Aufschluß höhermolekularer Inhaltsstoffe verspricht. Dor Einsatz von Membrantrcnnverfahren beschränkt sich auf allgemein formulierte Tronnoporntionon (DD 138864, DD 214063) und ist im erfindungsger.äßen Sinne nicht bekannt.

Ziel der Erfindung

Mit dor Anwondung dor Erfindung wird das Ziol verfolgt, industrielle und landwirtschaftliche Abwässer als unkonventionelle, abor verfügbaro und bllllgo Substrate zur blogonon Wertstoffgowinnung übor Fermontationsprozesse zu nutzen. Dabei solion die Inhaltsstoffe diosor Abwässor, dio nur solion sofort und vollständig in utilisiorborer Form vorliogon, weitgohend ausgenutzt worden. BoI aus Effoktivitätegründon nicht ausreichender Konzentration gowinnbaror utilislorbarer Fettsäuren sollen Supplomontiorungon aus Foststcfffraktionon der Abwässer bzw. aus anderen foststoffroichon Abprodukten erfolgen. Mögliche