DE10144538A1

DE10144538A1 - Verfahren zur Herstellung einer Komposterde und eines Methangases

Info

Publication number: DE10144538A1
Application number: DE10144538A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Eisenhardt; Eberhard Schiffner; Harald Koehler
Original assignee: SUKO GmbH
Current assignee: SUKO GmbH
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Bei der Herstellung von Methangas aus Gülle und Zellulose sollen die mikrobiologischen Prozesse beim Zelluloseabbau der mit zellulosereichen Cofermentate vermischten Gülle im Biogasreaktor aktiviert, die Reaktionsdauer verkürzt und die Gasmenge erhöht werden, wobei der ausgegaste flüssige Gärrückstand in streufähige Komposterde mit hohem Nährstoffgehalt und reduzierter Geruchsemission bei vollständiger Hygenisierung umgewandelt wird. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt Gülle mit zelluloseabbauenden biologischen Wirkstoffen durchsetzten Confermentaten und aus Cellulaseenzymen angereicherter Flüssigkeit in einem Mischer gemischt, DOLLAR A in einem zweiten Verfahrensschritt findet in einem oder mehreren Reaktoren eine Gärung bei Temperaturen von 30 bis 60 DEG C und einem Zeitraum von 10 bis 30 Tagen statt, wonach der ausgegaste Gärrückstand in einem weiteren Verfahrensschritt einem Entwässerungsprozeß und der dabei abgeschiedene Feststoff nach der Entwässerung einem über mehrere Tage bis Wochen dauernden aeroben Intensivrotteprozeß unterzogen und danach einer Nachverrottung unter natürlichen Umweltbedingungen ausgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Komposterde und eines Methangases aus Tiergülle und Zellulose.
Für die Erzeugung von Methangas auch Biogas genannt, daß aus landwirtschaftlicher Tiergülle durch anaerobe Vergärung hergestellt wird, wurden in den vergangenen Jahrzehnten eine Vielzahl von technologischen Verfahren entwickelt. Die dabei im Gärprozeß ausgegaste Biomasse wird in der Landwirtschaft als Düngemittel eingesetzt mit den Vorteil, daß infolge des Gärprozesses die ursprünglich starken Geruchsemissionen der Gülle wesentlich abgenommen haben. Eine mögliche anschließende Entwässerung der ausgegasten Biomasse und Weiterbehandlung zu streufähigen Dünger wird in der Regel nicht praktiziert, da dann die Ausbringung des Gärrückstandes wesentlich verteuert wird durch die Notwendigkeit des Vorhaltens eines Nachstapelbehälters für die Flüssigphase und einer Lagerfläche für die Festphase und der Notwendigkeit des Vorhandenseins einer Ausbringungstechnik für die Flüssigphase und einer Ausbringungstechnik für die Festphase.
Es ist weiterhin bekannt, daß der Gülle vor der anaeroben Behandlung im Reaktor organische Abfälle als Trockensubstanzen beigemischt werden. Der dadurch erhöhte Trockensubstanzanteil TS im Substrat führt zu einer besseren Gasausbeute im Bioreaktor. Der TS-Gehalt bei den üblichen Verfahren beträgt max. 8%.
In der DE 42 12 196 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Verarbeitung von Rohgülle und ähnlichen biologischen Abfallprodukten unter Gewinnung von Biogas, Feststoffdünger Flüssigdüngerkonzentrat und Brauchwasser beschrieben. Dabei wird die Dünngülle durch zweimalige Ultrafiltration vor und nach der Biogasreaktorstufe aufkonzentriert, um einerseits die Mikroflora im Kompost zu aktivieren und andererseits durch Rückführung des Konzentrats in den Bioreaktor den Gasbildungsprozeß zu beschleunigen. Eine derartige Anlage erfordert einen hohen technischen Aufwand und damit hohe Investitions- und Wartungskosten und ist unter den gegebenen Bedingungen nicht störunanfällig. Der Energiebedarf ist dabei nicht unbeträchtlich. Eine Hygenisierung des Kompostes tritt durch das Verfahren nicht ein. Weiterhin ist aus einer Reihe von Druckschriften bekannt, die Herstellung von Kompost aus Gülle unter Beimischung von verschiedenen Feststoffen bestehend hauptsächlich aus biogenen Abfällen aus der Landwirtschaft bzw. unter Zumischung von mineralhaltigen Abprodukten der Industrie, wobei diese Mischungen ausschließlich aeroben Bedingungen ausgesetzt werden.
Die so gewonnenen Komposterden sind abgesehen von ihrem Dungwert nicht hygenisiert und noch längere Zeit mit Geruchsemissionen der Gülle kontaminiert, was die Umwelt mehr oder minder belastet.
Zellulosereiche Abfälle aus der Papierindustrie, wie sie in großen Mengen als Papierfaserstoffe anfallen lassen sich allein nur schwierig anaerob abbauen, da nicht genügend Cellulasen zur Metabolosierung der Zellulose gebildet werden. Zwar wird in Verbindung mit Gülle der Abbauprozeß infolge eines verbesserten C : N-Verhältnisses begünstigt. Allerdings ist es wegen des unzureichenden mikrobiellen Aufschlusses durch bloße Vermischung mit Gülle bisher nicht gelungen, derartige zellulosereiche Abfallstoffe in größerem Umfang für die Biogasproduktion nutzbar zu machen und zu verwerten, da die zur Verfügung stehende Reaktionszeit in Biogasanlagen für einen vollständigen Aufschluß von Zellulose nicht ausreicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Komposterde und eines Methangases zu schaffen, daß die mikrobiologischen Prozesse beim Zelluloseabbau der mit Cofermentaten, insbesondere von zellulosereichen Papierfaserstoffen vermischten Gülle im Biogasreaktor aktiviert und beschleunigt, um bei gleichzeitiger Verkürzung der Reaktionsdauer (Durchflußdauer) die erzeugte Gasmenge im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wesentlich zu erhöhen, und der ausgegaste flüssige Gärrückstand in eine streufähige Komposterde mit hohem Nährstoffgehalt umgewandelt wird, bei gleichzeitiger Reduzierung der Geruchsemission und vollständiger Hygenisierung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem ersten Verfahrensschritt Gülle mit zelluloseabbauenden biologischen Wirkstoffen durchsetzten Confermentaten und aus Cellulaseenzymen angereicherter Flüssigkeit in einem Mischer gemischt werden,
daß in einem zweiten Verfahrensschritt in einem oder mehreren Reaktoren eine Gärung bei Temperaturen von 30 bis 60°C und einem Zeitraum von 10 bis 30 Tagen stattfindet, und daß die durch Zersetzung der mit Gülle angereicherten Faserstoffe und Biomasse entstehenden Methangase abgefangen,
daß der ausgegaste Gärrückstand in einem weiteren Verfahrensschritt einem Entwässerungsprozeß und der dabei abgeschiedene Feststoff nach der Entwässerung einem über mehrere Tage bis Wochen dauernden aeroben Intensivrotteprozeß unterzogen und danach einer Nachverrottung unter natürlichen Umweltbedingungen ausgesetzt wird.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß dem im zweiten Verfahrensabschnitt entstandenen Methangas Kondensat entzogen und mit der enthaltenen Biomasse dem Mischer teilweise zugeführt wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Kodentsatabscheider vorgesehen, der Kondensat abscheidet, daß dem Mischer teilweise zugeführt wird.
Weiter ist die Lösung der Aufgabe der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Entwässerung erhaltene Flüssigkeit angereichert mit zelluloseabbauenden biologischen Wirksubstanzen mindestens teilweise dem Mischer zugeführt wird und hierüber eine verdünnte Gärflüssigkeit dem Reaktor für den zweiten Verfahrensschritt zugeführt wird.
Ferner ist die Lösung der Aufgabe der Erfindung auch noch dadurch gekennzeichnet, daß das beim ersten Verottungsprozeß austretende Abwasser, angereichert mit zelluloseabbauenden Wirksubstanzen den Mischer zugeführt wird.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung ist auch noch dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat nach einen der vorgehenden Verfahren hergestellt, und in einer Intensivrotte durch Temperaturanstieg bis 60°C vollständig hygenisiert wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß das Substrat allein oder mit weiteren Mineralstoffen angereichert als Dünger eingesetzt wird.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten Verfahrensschritt erzielte Mischung von festen und flüssigen Stoffen einen Trockensubstanzgehalt TS von 8-14% aufweist. Ferner ist die Lösung der Aufgabe der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Trockensubstanzgehalts durch Zugabe von Cofermentaten erreicht wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß als Cofermentate Papierfaserreststoffe allein oder vermischt mit anderen zellulosereichen Stoffen wie Festmist, Stroh und überständiges Gras verwendet werden.
Weiter ist das Verfahren der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Cofermentate zur Anreicherung mit zellulosabbauenden Mikroorganismen in einer offenen Miete bis zu einer Temperaturerhöhung von 50-55°C abgelagert werden.
Das Verfahren der Erfindung ist auch noch dadurch gekennzeichnet, daß die Cofermentate mit einer Höhe von ca. 2 m abgestapelt werden.
Schließlich ist das Verfahren der Erfindung noch dadurch gekennzeichnet, daß die mit zellulosesabbauenden biologischen Wirkstoffen durchsetzten Cofermentate cellulaseproduzierende Bakterien, wie Clostridien und bestimmte Bacillusarten sind, die zellständige Endoenzyme produzieren, während die im flüssigen Bestandteil des ausgegasten Gärrückstandes befindlichen biologischen Wirkstoffe vorwiegend aus nicht zellständigen Ektoenzymen bestehen.
Durch das Verfahren werden die im Bioreaktor ablaufenden mikrobiellen Prozesse aktiviert und beschleunigt, wodurch sich bei gleichzeitiger Verkürzung der Reaktionsdauer die Methangasmenge erhöht. Durch die vor dem Mischprozeß erfolgte Aufbereitung der Papierfaserstoffe durch Vorstapelung in einer offenen Miete über mehrere Tage erfolgt eine Anreicherung mit zellulosespaltenden Bakterien (Clostridien). So vermehren sich insbesondere thermophile Clostridien bis zu 10 Millionen Keime/g. Material. Da die Papierfaserstoffe als Abfallprodukt der Papierindustrie einen hohen Konzentrationsgrad an Zellulose im Vergleich zu anderen Cofermentaten aus landwirtschaftlichen Abfällen aufweisen, entsteht beim Abbau auch eine entsprechend hohe Konzentration an Cellulasen. Durch gebildeten hohen Konzentrationsgrad an zelluloseabauenden Wirksubstanzen (Cellulasen) in den vorher aufbereiteten Confermentaten kann der Trockensubstanzgehalt TS der Mischung von Gülle und Confermentaten bis zu 14% eingestellt werden. Bisher waren max. 8% möglich. Der hohe TS-Gehalt verbessert das C/N-Verhältnis und somit die Gasausbeute. Der hohe Trockensubstanzgehalt im Substrat und die hohe Konzentration von Zellulose und Cellulasen bewirken nahezu eine Verdopplung der Gasmenge pro m³ Substrat gegenüber herkömmlichen Verfahren. Um einen optimalen TS-Gehalt im Reaktor von 12% zu erreichen, wird nach Vergärung das Gemisch entwässert und das Recylingwasser dem Prozeß wieder zugeführt. Hierdurch werden gleichzeitig die im Recyclingwasser befindlichen passiven Cellulasen (Ektocellulasen) den Prozeß wieder zugänglich gemacht und die im Reaktor ablaufenden mikrobiellen Umbauprozesse beschleunigt.
Durch die Entwässerung auf 30% TS und anschließende Behandlung zunächst in einer Intensivrotte durch Luftzufuhr und einer Nachrotte entsteht eine Komposterde bei der durch eine Erwärmung auf 60°C alle pathogenen Keime, Unkrautsamen und Parasitenstadien weitestgehend abgetötet sind. Dadurch ist eine vollständige Hygenisierung eingetreten und ein natürlicher, stapelfähiger, geruchsneutraler Dünger mit hohem Nährstoffgehalt entstanden. Bei der Kompostierung verfahrensbedingt anfallendes Abwasser wird in die Biogasanlage zurückgeführt und begünstigt ebenfalls den mikrobielien Umbauprozeß bei der Biogaserzeugung durch weitere Verkürzung der Reaktionszeit im Reaktor.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Papierfaserstoff als Abfall der Papierindustrie wird mittels Radlader in einer Dreiecksmiete 1 mit einer Mindestscheitelhöhe von 2 m vorgestapelt.
Dadurch kommt es zu einer Anreicherung der im Material vorhandenen anaeroben zellulosabbauenden Keime, welche aktive (zellständige) Cellulasen produzieren. Durch die erhöhte Stoffwechseltätigkeit der Bakterien im Verlaufe der Anreicherung kommt es gleichzeitig zur Temperaturerhöhung im Substrat bis etwa 50°C, die etwa nach zwei bis drei Tagen erreicht wird. Anschließend werden die so behandelten Papierfaserstoffe in einen Mischer 2 eingefüllt und unter Zugabe von zelluloseabbauenden Wirkstoffen angereicherter Flüssigkeit, die Cellulaseenzyme als passive Cellulasen enthält, mit Tiergülle vermischt. Als Tiergülle dient vorwiegend die in großen Mengen anfallende Schweinegülle. Die mit Cellulaseenzymen, sogenannten passiven Cellulasen angereicherte Flüssigkeit wird als Recyclingwasser aus einem nachfolgenden Gär- und Rotteprozeß gewonnen. Nachdem das Gemisch im Mischer 2 auf einen Trockensubstanzgehalt von TS 12% eingestellt ist, wird es in einen Biogasreaktor 3 umgesetzt. Unter anaeroben Bedingungen beginnt nun bei Temperaturen um 35°C die Zersetzung der mit Gülle angereicherten zellulosereichen Faserstoffen durch die in der Biomasse vorhandenen aktiven und passiven Cellulasen. Aus diesen Zwischenprodukten des Zelluloseabbaus entwickelt sich in weiteren bekannten Abbauschritten Methangas. Nach einer durchschnittlichen Verweilzeit im Biogasreaktor 3 von zwei bis drei Wochen ist das Gemisch vergoren und der Gasbildungsprozeß abgeklungen. Das beim Gärprozeß entstehende Methangas wird zunächst über einen Kondensator 4 geleitet und dabei dem Gas der Wasserdampf entzogen, bevor es zur weiteren Nutzung einem Blockheizkraftwerk 5 zur Strom- und Wärmeerzeugung zugeführt wird.
Die ausgegaste Masse wird durch eine Entwässerungseinrichtung 6 geleitet und auf 30% Trockensubstanzgehalt entwässert. Als Entwässerungseinrichtung 6 dienen bekannte nicht dargestellte Filterpressen, Siebpressen etc. Das dabei anfallende Filtrat, beladen mit zelluloseabbauenden biologischen Wirkstoffen als passive Cellulasen, wird als Recyclingwasser über den Mischer 2 in den Prozeß wieder eingespeist. Das ausgefilterte Substrat wird zunächst in einer Intensivrotte 7 mehr als zwei Wochen einem aerob-thermophilen Verfahren unter ständiger Luftzuführung ausgesetzt. Dabei steigt die Substrattemperatur durch aerob-bakterielle Stoffwechselprozesse auf Werte um 60°C. Die dabei ablaufende Flüssigkeit wird aufgefangen und als Prozeßwasser in den Mischer 2 zurückgeführt, um die mitgeführten zelluloseabbauenden, biologischen Wirkstoffe als passive Cellulasen ebenfalls für die mikrobiellen Umbauprozesse nutzbar zu machen. Nicht benötigtes Reyclingwasser kann als Brauchwasser aufbereitet und in der Landwirtschaft zu anderen Zwecken eingesetzt werden. Durch eine Umlagerung des Substrats von der Intensivrotte 7 in eine anschließende Nachrotte 8 entsteht nach längerer Ablagerung eine streufähige Komposterde die als Naturdüngerkompost in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann. Die Komposterde ist vollständig hygenisiert und fast frei von Geruchsemissionen.
Durch den Umwandlungsprozeß der Rohgülle unter Einbeziehung der Verwertung von großen Mengen industrieller Abfälle aus der Papierindustrie ist es gelungen, den Wirkungsgrad der Methangasproduktion gegenüber herkömmlichen Verfahren drastisch zu erhöhen und gleichzeitig einen hochwertigen Dünger für die Landwirtschaft in ausreichenden Mengen bereitzustellen. Damit ist ein großflächiges Ausdüngen von Feldkulturen möglich. Außerdem werden die starken Umweltbelastungen vermieden, hervorgerufen durch langanhaltende Geruchsemissionen, wie sie beim bloßen Ausdüngen von Rohgülle entstehen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Komposterde und eines Methangases aus Gülle und Zellulose, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt Gülle mit zelluloseabbauenden biologischen Wirkstoffen durchsetzten Confermentaten und aus Cellulaseenzymen angereicherter Flüssigkeit in einem Mischer (2) gemischt werden,
daß in einem zweiten Verfahrensschritt in einem oder mehreren Reaktoren (3) eine Gärung bei Temperaturen von 30 bis 60°C und einem Zeitraum von 10 bis 30 Tagen stattfindet, und daß die durch Zersetzung der mit Gülle angereicherten Faserstoffe und Biomasse entstehenden Methangase abgefangen,
daß der ausgegaste Gärrückstand in einem weiteren Verfahrensschritt einem Entwässerungsprozeß und der dabei abgeschiedene Feststoff nach der Entwässerung einem über mehrere Tage bis Wochen dauernden aeroben Intensivrotteprozeß unterzogen und danach einer Nachverrottung unter natürlichen Umweltbedingungen ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem im zweiten Verfahrensabschnitt entstandenen Methangas Kondensat entzogen und mit der enthaltenen Biomasse dem Mischer (2) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensatabscheider (4) vorgesehen ist, der Kondensat abscheidet und dem Mischer (2) teilweise wieder zuführt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Entwässerung erhaltene Flüssigkeit angereichert mit zelluloseabbauenden biologischen Wirksubstanzen mindestens teilweise dem Mischer (2) zugeführt wird und hierüber eine verdünnte Gärflüssigkeit dem Reaktor (3) für den zweiten Verfahrensschritt zugeführt wird.

5. Verfahren nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das beim ersten Verottungsprozeß austretende Abwasser, angereichert mit zelluloseabbauenden Wirksubstanzen den Mischer (2) teilweise wieder zugeführt wird.

6. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat nach einen der vorhergehenden Verfahren hergestellt und in einer Intensivrotte (7) durch Temperaturanstieg bis 60°C vollständig hygenisiert wird.

7. Verfahren nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat allein oder mit weiteren Mineralstoffen angereichert als Dünger eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einen der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten Verfahrensschritt erzielte Mischung von festen und flüssigen Stoffen einen Trockensubstanzgehalt TS von 8-14% aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Trockensubstanzgehalts durch Zugabe von Cofermentaten erreicht wird.

10. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Confermentate Papierfaserstoffe allein oder vermischt mit anderen zellulosereichen Stoffen wie Festmist, Stroh und überständiges Gras verwendet werden.

11. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Cofermentate zur Anreicherung mit zellulosabbauenden Mikroorganismen in einer offenen Dreiecksmiete (1) bis zu einer Temperaturerhöhung von 50-55°C abgelagert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Cofermentate mit einer Höhe von ca. 2 m abgestapelt werden.

13. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die mit zellulosesabbauenden biologischen Wirkstoffen durchsetzten Cofermentate cellulaseproduzierende Bakterien, wie Clostridien und bestimmte Bacillusarten sind, die zellständige Endoenzyme produzieren, während die im flüssigen Bestandteil des ausgegasten Gärrückstandes befindlichen biologischen Wirkstoffe vorwiegend aus nicht zellständigen Ektoenzymen bestehen.