DE102004054468A1

DE102004054468A1 - Verfahren zur anaeroben Vergärung pflanzlicher Substrate und deren Vorbehandlung mittels thermomechanischem Aufschluss

Info

Publication number: DE102004054468A1
Application number: DE102004054468A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Roesing; Thilo Lehmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biogas durch anaerobe Vergärung pflanzlicher Substrate in einem Reaktor. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem bei der Vergärung organischer Trockensubstanzen von rein landwirtschaftlichen Substraten eine verbesserte Biogasausbeute, bezogen auf eine definierte Verweilzeit bei hohen Faulraumbelastungen, erzielt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, dass zur Erzielung einer nachweislich höheren Gasbildungsrate dem Vergärungsprozess eine aufbereitungstechnische Vorstufe außerhalb des Reaktors durch Extrusion der pflanzlichen Substrate so vorgeschaltet wird, dass eine hochgradig homogenisierte Biomasse entsteht, deren Zellgefüge weitgehend zerstört ist und durch gezielte Oberflächenvergrößerung des biogenen Materials eine schnellere Nährstoffverfügbarkeit für die Metanbildner ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biogas durch anaerobe Vergärung pflanzlicher Substrate in einem Reaktor.
Die Erfindung wird vorzugsweise angewendet im Bereich der landwirtschaftlichen Biogasgewinnung. Darüber hinaus ist eine zweckentsprechende Anwendung in der anaeroben Abfall- und Faulschlammvergärung möglich, wo unterschiedlichste Biomasse als Koferment fallweise eingesetzt werden kann.
Unabhängig von der Entwicklung der Tierbestände und damit des Anfalls von Flüssig- oder Festmist stellt die verstärkte Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen und Wiesenwuchs eine zweckmäßige Verwertungsalternative in der landwirtschaftlichen Biogaserzeugung dar.

Bei den bekannten Verfahren zur Biogasgewinnung wurde eine Erhöhung der Wirkungsgrade bei der Biomassekonversion in elektrische und Wärmeenergie im wesentlichen durch die Weiterentwicklung der Vergärungstechnologie, einschließlich der unterschiedlichsten Beschickungstechniken von Feststoffen sowie der Entwicklung der Blockheizkraftwerke, nicht aber durch bessere Ausnutzung der in der Biomasse selbst gebundenen biochemischen Energie, angestrebt.

Im Gegensatz zu den tierischen Ausscheidungen, bei denen es keine Zellverbände mehr gibt, da beim Durchgang durch den Verdauungstrakt des Tierkörpers die Nährstoffe völlig aufgeschlossen werden und den anaeroben Bakterien eine sehr große Angriffsfläche geboten wird, sind die pflanz lichen Kofermente durch ihre zellularen Bindungen von den Bakterien wesentlich schwerer zu zersetzen und benötigen eine entschieden längere Verweilzeit im Biogasreaktor.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Zerkleinern, Mischen und Zermusen von pflanzlichen Substraten hoher Trockensubstanzgehalte mit kombiniertem Direkteintrag in Biogasreaktoren bekannt.

Allen diesen Verfahren sind hinsichtlich der technischen Beherrschbarkeit hoher Trockensubstanzgehalte im Fermenter Grenzen gesetzt. Die Trockensubstanzgehalte in Gülleanlagen mit anteiliger Kofermentation betragen zwischen 10 und 12 %.

In speziell zur Gras- bzw. Silagevergärung ausgelegten Nassvergärungsanlagen kann mit verstärkter Rührwerkstechnik und entsprechenden Ein- und Austragungsaggregaten ein Trockensubstanzgehalt von 13 bis 15 % noch beherrscht werden. Bei höheren Trockensubstanzgehalten kann jedoch die Homogenisierung des Faulraumsubstrats nicht mehr sichergestellt werden und es treten erhöhte Schwimmschichten- oder Pfropfenbildung auf, die Störungen im Gasbildungsprozess verursachen.

In DE 203 17 305 U1 wird eine Vorrichtung zum Zerreißen, Mischen und Pumpen in einem einzigen Aggregat für die Fermenterbeschickung in Biogasanlagen beschrieben, die zwar eine Verbesserung bisheriger Zerkleinerungs-, Misch- und Einbringtechnik darstellt, jedoch keinen Zellaufschluss realisiert. Die hohe Gefahr des Aufschwimmens in Abhängigkeit vom Trockensbstanz-Gehalt bleibt weiterhin bestehen.

Es ist auch bekannt, höhere Trockensubstanzgehalte durch Direkteintrag pflanzlicher Biomasse in den Bioreaktor zu realisieren. Dies wird dadurch erreicht, dass Einspülschächte unterschiedlicher Art, Eintragschnecken, Dosierstationen mit hydraulischer Einpressung, Spiralförderer oder das System „Feststoffwolf" der Firma PLAN ET.

Der ständigen Gewährleistung der Fließ- und Pumpfähigkeit des Substrats und damit verbunden der Prozessstabilität sind auch hier Grenzen gesetzt. Ebenso nachteilig sind bei allen diesen Vorrichtungen die weiterhin bestehende Neigung der pflanzlichen Biomasse zur Schwimm- und Sinkschichtenbildung bei vergleichsweise höherem energetischen und technischen Aufwand für den Einsatz von Rührwerks- bzw. Homogenisierungstechnik.

Nach DE 198 00 224 C1 ist die Aufbereitung eines pumpfähigen Gemischs aus Bioabfällen und Klärschlamm in einem Faulbehälter bekannt, in dem der Trockensubstanzgehalt in der durch Klärschlamm gebildeten Suspension durch die Zugabe von Biomasse in entsprechenden Mischungsverhältnissen erhöht wird. Dabei wird die Zerfaserung des Bioabfalls als vorteilhaft angesehen.

Für die biotechnische Weiterbehandlung von Abfällen zur Erzeugung von Biogas ist es zweckmäßig, zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit die organische Biomasse vor der Abtrennung organischer Bestandteile zu zerkleinern.

In DE 38 36 379 A1 ist hierzu eine Anordnung beschrieben, bei der für die Zerkleinerung eine Kugelmühle verwendet wird. Ein gesicherter Zellaufschluss des Substrats findet hier jedoch nur bedingt statt.

Mit der in DE 197 19 895 C1 angegebenen Lösung soll eine Erhöhung der Raumbelastung von Vergärungsreaktoren dadurch erreicht werden, dass die Schlämme vor ihrer Vergärung einer mechanischen Eindickung unterworfen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem bei der Vergärung organischer Trockensubstanzen von rein landwirtschaftlichen Substraten eine verbesserte Biogasausbeute bezogen auf eine definierte Verweilzeit bei hohen Faulraumbelastungen erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen abgeleitet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein modifiziertes einstufiges Nassgärverfahren zur Biogaserzeugung mit optimierter Gasertragsrate bei verstärkter oder ausschließlicher Nutzung pflanzlicher Biomasse und deren aufbereitungstechnischer Vorbehandlung mittels Extrusion. Dabei wird dem Vergärungsprozess eine aufbereitungstechnische Vorstufe außerhalb des Reaktors vorgeschaltet, wobei durch Extrusion der pflanzlichen Substrate eine hochgradig homogenisierte Biomasse erzeugt wird, deren Zellgefüge weitgehend zerstört ist. Durch gezielte Oberflächenvergrößerung des biogenen Materials wird den Gärungs- und methanbildenden Bakterien eine höhere Nährstoffverfügbarkeit ermöglicht. Damit wird eine nachweislich größere Gasbildungsrate erreicht.

Je nach technologischem Erfordernis kann die extrudierte pflanzliche Biomasse über eine Vorgrube oder über eine geeignete Direkteintragtechnik dem Reaktor zugeführt werden. Dabei können Trockensubstanzgehalte > 18 % bzw. Faulraumbelastungen > 6 kg organische Trockensubstanz/m³ × d) zugelassen werden, ohne dass es zu Störungen im Gasbildungsprozess kommt. Dies führt zur Optimierung und Einsparung teuren Faulraumvolumens.

Als Folge der höheren Nährstoffverfügbarkeit sind die Biogasausbeute je Zeiteinheit und eingesetzter organischer Trockensubstanzmasse sowie die anlagenspezifische Biogasproduktivität bei ausschließlicher Verwendung nachwachsender Rohstoffe, Gülle und Festmist höher als bisher in der landwirtschaftlichen Biogaspraxis bekannt wurde.

Die hochgradig homogenisierte Biomasse weist eine bessere Pump- und Transportfähigkeit und nur eine geringe Neigung zu Schwimm- und Sinkschichtenbildungen auf und lässt somit extrem hohe Faulraumbelastungen zu. Durch geringere Homogenisierungs- und Rührwerkstechnik wird Prozessenergie eingespart.

Durch Kombination von Bioextruder und Direkteintrag werden Temperaturgefälle vermieden, was sich günstig auf den Methanbildungsprozess auswirkt und thermische Energie einsparen hilft.

Durch die im Extruder entstehenden hohen Temperaturen werden Krankheitskeime, Pilzsporen, Unkrautsamen etc. zerstört und das vergorene Substrat weist eine geringere Keimbelastung auf.

Die Erfindung nutzt den thermomechanischen Aufschluss mittels Extrusion, um die in der pflanzlichen Biomasse gespeicherte Energie für den eigentlichen Methanbildungsprozess schneller und effizienter verfügbar zu machen.

Durch Auswahl und Proportionierung geeigneter pflanzlicher Biomasse wie:

• Gras- und Maissilage
• Festmist, Stroh
• Grünschnitt und Getreide

wird für das Hydrolysestadium im Allgemeinen eine Vor- oder Maischgrube verwendet.

Bei Verzicht auf eine Vorgrube kann das Hydrolysestadium (z.T. Versäuerungsstadium) quasi ersetzt werden durch ein „Ansetzen" der vorbehandelten, extrudierten Kofermente auf einer Dungplatte (ausreichend: 3–5 Tagesrationen). Dabei weisen Gülle und Festmist eine ausgezeichnete chemische Pufferwirkung auf.

Durch geeignete Feststoffeintragtechnik bzw. Dickstoffpumpen werden sehr hohe Trockensubstanzgehalte in den Faulraum eingebracht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, im Faulraum optimale Reaktionsbedingungen und für den eigentlichen Methanbildungsprozess günstige Milieubedingungen zu erzeugen, um nicht auf den Gesamtprozess der Vergärung Rücksicht nehmen zu müssen.

Dies setzt eine sorgsame Überwachung des Vergärungsprozesses voraus, einschließlich der Messung und Analyse folgender Parameter:

– Temperaturverhalten
– pH-Wert
– Äquivalente der leichtflüchtigen Fettsäuren
– Erfassung der Stoffpotentiale und des C/N-Verhältnisses
– Zusammensetzung und Menge des Biogases
– Bestimmung der Trockensubstanz-Gehalte

Die aufbereitungstechnische Vorstufe nutzt bekannte Extrusionstechnik. Als vorteilhaft hat sich ein Doppelschneckenextruder erwiesen, der als Weiterentwicklung aus der Holzzerfaserung zur Verfügung steht.

In den Flankenbereichen der Schneckenwellen entstehen in der gekapselten und gepanzerten Vorrichtung, je nach Substratzufuhr und -konsistenz veränderliche Druck- und Temperaturverhältnisse, die in der Lage sind, das Zellgefüge von pflanzlichem Material und anderer Biomasse explosionsartig zu zerstören.

Bei der Vorwärtsbewegung des Substrats wird es durch die eintretende Querschnittsverengung thermomechanisch so beansprucht, dass eine gewünschte Textur- und Strukturveränderung eintritt. Das biogene Material wird zwischen den Schneckenwellen und der Außenwand zerrieben und hierbei homogenisiert, intensiv gemischt und plastifiziert. Durch die weitgehende Zerstörung des Zellgefüges entsteht eine wesentlich vergrößerte Angriffsfläche für die Mikroben und damit eine wirksame Beschleunigung des Gasbildungsprozesses.

Im Extruderkanal sind Spitzendrücke über 50 bar möglich, es wurden Temperaturen > 120 °C gemessen.

Durch diesen Vorgang findet ein solcher Zellaufschluss statt, der nachweislich zu einer deutlich höheren und schnelleren Nährstoffverfügbarkeit im Methanbildungsprozess führt. Dieser Effekt trägt Turbocharakter.

Die in großtechnischen Versuchen erzielten Ergebnisse sind in den 1 und 2 näher erläutert. Dabei zeigen:
1 die substratspezifische Biogasausbeute in Abhängigkeit von der Verweilzeit
und
2 die Gasproduktivität in Abhängigkeit von der Faulraumbelastung.
Wie aus der in 1 dargestellten Gegenüberstellung des Verlaufs der substratspezifischer Gasausbeuten für unbehandeltes Substrat und dem erfindungsgemäßen Extrudermaterial ersichtlich ist, konnten Steigerungsraten ΔE bis zu 14 % ermittelt werden. Die unter anderem daraus resultierenden anlagenspezifischen Ertragssteigerungen betrugen teilweise mehr als 30 %. Ermöglicht wird dies durch die Beherrschung extrem hoher Faulraumbelastungen und optimierter Bedingungen zur Methangasbildung.
2 zeigt den Verlauf der Gasproduktivität bei gängiger Biogaspraxis und bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das verfahrensspezifische Produktivitätsoptimum, bei dem die maximale Gasproduktivität erreicht wird, ergibt sich hierbei für eine Faulraumbelastung FB im Bereich von 5 ... 6 kg organische Trockensubstanz/m³ Faulraumvolumen.
Hinsichtlich der Energiebilanz wird der durchaus energieintensive Behandlungsschritt durch höhere Biogasausbeuten und Gasproduktivitäten mehr als kompensiert.
Die nach dem Extrusionsvorgang noch vorhandenen Faserbestandteile besitzen eine Länge von bis zu 40 mm und bleiben aufgrund ihrer Beschaffenheit beim Einbringen in die Reaktorflüssigkeit im Schwebezustand. Damit werden günstige Voraussetzungen für eine wirkungsvolle Homogenisierung des Faulraumsubstrats geschaffen. Es besteht gegenüber anderen technologischen Verfahrensweisen der Nassvergärung eine deutlich geringere Neigung des vorbehandelten pflanzlichen Substrats zu prozessgefährdenden Schwimm- und Sinkschichtenbildungen.
Die im Extruder entstehende Temperatur von über 100 °C entspricht den Forderungen der EUV- 1774 zur Hygienisierung bestimmter Bioabfälle, die pathologisch bedenklich sein können. Da aber sämtliche Zusatzstoffe wie Pflanzenschnitt, Pflanzabfälle, Kompost usw. den Extruder passieren, werden neben pathogenen auch andere Keime, wie Pilzsporen, Unkrautsamen usw. teilweise zerstört. Das vergorene Substrat ist dann bei der Verbringung als Dünger auf die Felder weitgehend keimfrei.

O: Optimum
G: Gasproduktivität
FB: Faulraumbelastung
BG: Biogas
oTS: organische Trockensubstanz
m³ _F: Faulraumvolmen
d: Tag

Claims

Verfahren zur anaeroben Vergärung pflanzlicher Substrate zwecks Herstellung von Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer nachweislich höheren Gasbildungsrate dem Vergärungsprozess eine aufbereitungstechnische Vorstufe außerhalb des Reaktors durch Extrusion der pflanzlichen Substrate so vorgeschaltet wird, dass eine hochgradig homogenisierte Biomasse entsteht, deren Zellgefüge weitgehend zerstört ist und durch gezielte Oberflächenvergrößerung des biogenen Materials eine schnellere Nährstoffverfügbarkeit für die Metanbildner ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die extrudierte pflanzliche Biomasse, je nach technologischem Erfordernis, über eine Vorgrube oder über eine geeignete Direkteintragtechnik dem Fermenter zugeführt wird und solche TS-Gehalte (< 18%) bzw. Fraulraumbelastungen (von > 6 kg oTS / m³ × d)zulässt, dass Störungen im Gasbildungsprozess vermieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die extrudierte Biomasse mittels Doppelschneckenextrude so bearbeitet wird, dass eine bessere Pump- und Transportfähigkeit erreicht wird und die Biomasse nur eine geringe Neigung zu Schwimm- und Sinkschichtenbildung aufweist und somit extrem hohe Faulraumbelastungen zulässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass extrudierte Kofermente auf einer Dungplatte angesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pflanzlichen Substrate in den Reaktor durch kombinierten Einsatz eines Extruders und Direkteintrag eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines starken Temperaturgefälles der Materialeintrag durch Kombination von Bioextrude und Direkteintrag in den Reaktor erfolgt.