DE102007059084A1 - Verfahren zur Erzeugung von Biogas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugungersten Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0 kg NH4-N/m3, insbesondere Geflügelkot, mit folgenden Schritten: Herstellen eines eine Mischung aus dem Substrat (S1) und weiterem Substrat (S2) enthaltenden Gärsubstrats, Bestimmen einer zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration des Gärsubstrats und Einstellen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat, derart, dass ein Minimalwert von 3,0 kg NH4-N/m3 nicht unterschritten und ein Maximalwert von 5,5 kg NH4-N/m3 nicht überschritten wird, wobei dem Gärsubstrat (i) zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration einem vergorenen Gärrest entzogenes und mittels eines Umkehrosmoseverfahrens gerienigtes Prozesswasser (P) und (ii) zum Erhöhen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration dem Gärsubstrat Substrat (S1) zugesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Substraten mit einer hohen ersten Amonium-Stickstoffkonzentration, insbesondere Geflügelkot.
  • Die DE 10 2005 047 719 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse mit hohen Feststoff- und Stickstoffanteilen. Dabei wird ein beim Vergären gebildeter Gärrest in zwei Teilströme getrennt. Ein erster Teilstrom wird zum Anmaischen neuer Biomasse rezirkuliert. Einem zweiten Teilstrom wird in einem Strippprozess Ammoniak/Ammoniumstickstoff entzogen und anschließend in eine feste und eine flüssige Phase getrennt. Die flüssige Phase wird ebenfalls zum Anmaischen neuer Biomasse rezirkuliert.
  • Beim Strippprozess wird der Ammoniumstickstoffgehalt um 70% bis 90% verringert. Infolge dessen enthält die rezirkulierte flüssige Phase des zweiten Teilstroms bis zu 30% Ammoniumstickstoff. Um einen zu hohen Gehalt an Ammonium im Gärsubstrat und eine dadurch bedingte Stickstoffhemmung zu vermeiden, kann bei dem bekannten Verfahren nur ein relativ geringer Anteil an eine hohe Ammonium-Stickstoffkonzentration aufweisenden Geflügelkot dem Gärsubstrat zugefügt werden. In der Regel beträgt der Anteil des Geflügelkots am Gärsubstrat nicht mehr als 25 Gew.-%.
  • Derzeit steigen die Preise für nachwachsende Rohstoffe wegen steigender Nachfrage stark an. Geflügelkot ist wegen seines hohen Stickstoffgehalts dagegen in der Regel nicht ohne Wei teres zu entsorgen und wird infolge dessen kostenlos abgegeben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein möglichst einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Gärsubstraten mit einem hohen Gehalt an Ammonium-Stickstoff, insbesondere Geflügelkot, anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 19.
  • Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus einem Substrat mit einer ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0 kg NH4-N/m3, insbesondere Geflügelkot, mit folgenden Schritten vorgesehen:
    Herstellen eines eine Mischung aus dem Substrat und einem weiteren Substrat enthaltenden Gärsubstrats,
    Bestimmen einer zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration des Gärsubstrats und
    Einstellen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat derart, dass ein Minimalwert von 3,0 kg NH4-N/m3 nicht unterschritten und ein Maximalwert von 5,5 kg NH4-N/m3 nicht überschritten wird, wobei dem Gärsubstrat
    • (i) zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration einem vergorenen Gärrest entzogenes und mittels eines Umkehrosmoseverfahrens gereinigtes Prozesswasser und
    • (ii) zum Erhöhen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration erstes Substrat zugesetzt wird.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, Gärsubstrate mit einem hohen Anteil an Substraten mit einer hohen ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration, insbesondere Geflügelkot, zu vergären. Es gelingt damit, in Abweichung vom Stand der Technik, Gärsubstrate mit einem Anteil von mehr als 30 Gew.-% an Geflügelkot in Biogas umzuwandeln. Erfindungsgemäß wird das insbesondere durch eine geeignete Einstellung der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat erreicht. Dabei wird zur besonders effizienten Verarbeitung des Substrats die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration vorzugsweise nahe des Maximalwerts eingestellt, beispielsweise in einem Bereich von mehr als 4,0 kg NH4-N/m3 bis 5,5 kg NH4-N/m3. Ein besonders bevorzugter Bereich der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration reicht von einem Minimalwert von 4,5 kg NH4-N/m3 bis zu einem Maximalwert von 5,5 kg NH4-N/m3.
  • Zum Einstellen der vorgenannten Bereiche der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration kann es entweder erforderlich sein, die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration zu erniedrigen oder zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration einem vergorenen Gärrest entzogenes und mittels eines Umkehrosmoseverfahrens gereinigtes Prozesswasser zugesetzt. Derartiges Prozesswasser weist eine äußerst geringe Ammonium-Konzentration auf. Es ist jedenfalls so sauber, dass es durch Einleiten in Vorfluter oder in Flüsse entsorgt werden kann. Indem zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration Prozesswasser verwendet wird, kann einerseits der Verbrauch von wertvollem Frischwasser vermieden und andererseits ein Eintrag von Ammonium in das Gärsubstrat vermieden werden. Infolge dessen kann dem Gärsubstrat ein besonders hoher Anteil an Substrat bzw. Geflügelkot zugesetzt werden.
  • Zum Einstellen des vorgenannten Bereichs der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration kann es auch erforderlich sein, diese zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird dem Gärsubstrat Substrat zugesetzt. Da das Substrat in der Regel eine erste Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0 kg NH4-N/m3, insbesondere mehr als 10,0 kg NH4-N/m3, aufweist, kann damit die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration erhöht und gleichzeitig eine effiziente Entsorgung des Substrats erreicht werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Bestimmung der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration der Ammoniumgehalt oder der Ammoniakgehalt im Gärsubstrat gemessen. Insoweit können nach dem Stand der Technik bekannte Messgeräte verwendet werden. Vorteilhafterweise wird die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration mittels bekannter Messgeräte laufend gemessen und überwacht.
  • In ähnlicher Weise kann auch die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration im Substrat bestimmt werden. Auch zu diesem Zweck kann der Ammoniumgehalt oder der Ammoniakgehalt im Substrat gemessen werden. Dabei befindet sich das Substrat in einem gesonderten Vorratsbehälter.
  • Nach einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration durch Erhitzen des Substrats vor der Zugabe zum Gärsubstrat auf einen vorgegeben Wert verringert wird. Dabei kann der vorgegebene Wert in Abhängigkeit der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration sowie der Menge des Gärsubstrats und der Menge des Substrats ermittelt werden. Zum Erhitzen des Substrats kann vorteilhafterweise durch Verbrennen von Biogas erzeugtes Abgas verwendet werden. Biogas kann beispielsweise zum Antrieb eines Generators verbrannt werden. – Durch das vorgeschlagene Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur beispielsweise im Bereich von 50°C bis 100°C wird darin enthaltenes Ammonium in Form von Ammoniak entfernt. Damit kann die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration auf einfache Weise an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die jeweiligen Anforderungen werden beeinflusst durch die Menge des Gärsubstrats, die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration, eine Menge eines weiteren Substrats sowie die Beschaffenheit des weiteren Substrats.
  • Üblicherweise ist eine dritte Ammonium-Stickstoffkonzentration des weiteren Substrats kleiner als die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration. Infolge dessen kann auch durch die Beschaffenheit des weiteren Substrats sowie dessen Anteil im Gärsubstrat die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration erniedrigt werden. Das weitere Substrat kann im Wesentlichen aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen oder biogenen Reststoffen gebildet sein. Da das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auf eine effiziente Entsorgung hoch stickstoffhaltiger Substrate, insbesondere Geflügelkot, gerichtet ist, wird die zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat üblicherweise zunächst durch Zusatz von Prozesswasser erniedrigt. Sofern damit der vorgegeben Bereich der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration nicht erreicht wird, kann eine weitere Erniedrigung durch Erhitzen des Substrats und/oder durch Mischen des Substrats mit dem weiteren Substrat erreicht werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Herstellung des Gärrests aus dem Gärsubstrat sich absetzendes Sediment mittels eines Haspelrührwerks im vergorenen Gärsubstrat suspendiert wird. Ein solchermaßen suspendierter Gärrest kann mittels einer Pumpe aus einem Gärreaktor abgeführt werden. Das ermöglicht eine besonders einfache Prozessführung.
  • Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal werden in einem weiteren Verfahrensschritt im Gärrest enthaltene Feststoffe mittels Mikrofiltration, vorzugsweise Ultrafiltration, abgetrennt. Die so hergestellten Pellets bilden einen wertvollen rieselfähigen Trockendünger.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Umkehrosmoseverfahren um ein mehrstufiges Verfahren, bei dem zweckmäßigerweise eine erste Umkehrosmose und nachfolgend eine zweite Umkehrosmose durchgeführt wird.
  • Vorteilhafterweise kann ein Teil einer nach dem Abtrennen der Feststoffe aus dem Gärrest verbleibenden Restflüssigkeit abgezogen und als Flüssigdünger oder zu dessen Herstellung verwendet werden. Die Restflüssigkeit wird nachfolgend vorteilhafterweise mittels des Umkehrosmoseverfahrens weiter gereinigt. Dabei fällt einerseits gereinigtes Prozesswasser an, welches zum Einstellen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration verwendet wird. Ferner fällt dabei eine weitere Restflüssigkeit an, welche wiederum als Flüssigdünger oder zu dessen Herstellung verwendet werden kann.
  • Falls gemäß der vorgenannten Ausgestaltung dem Verfahren Restflüssigkeit und/oder weitere Restflüssigkeit entzogen wird, wird zweckmäßigerweise ein etwa dem Volumen der abgezogenen Restflüssigkeit und/oder weiteren Restflüssigkeit entsprechendes Volumen an Flüssigkeit dem Gärsubstrat zugesetzt. Dabei kann als Flüssigkeit im Substrat oder im weiteren Substrat enthaltenes Wasser verwendet werden. Sofern dieses Wasser nicht ausreicht, kann ein ggf. verbleibendes Differenzvolumen durch die Zugabe weiterer Flüssigkeit, vorzugsweise Frischwasser, Restwasser oder Abwasser, ausgeglichen werden. Beispielsweise können als Restwasser bei der Fruchtsaftherstellung abfallende Flüssigkeiten oder dgl. zum Ausgleich des Differenzvolumens verwendet werden.
  • Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
  • Die einzige Zeichnung zeigt schematisch einen Verfahrensablauf. Als Substrat Si wird Geflügelkot mit einer ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0 kg NH4-N/m3 verwendet. Als weiteres Substrat S2 werden biogene Reststoffe, beispielsweise Mais oder dgl., verwendet. Deren zweite Ammonium-Stickstoffkonzentration ist kleiner als die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration. Sie beträgt üblicherweise weniger als 3,0 kg NH4-N/m3. Das erste Substrat S1 und das weitere Substrat S2 werden in einen Mischer 1 gegeben. Dort wird eine Mischung hergestellt, welche zumindest 30 Gew.-% an erstem Substrat S1 und höchstens 70 Gew.-% an zweitem Substrat S2 enthält.
  • Falls erforderlich, kann das Substrat S1 vor der Zugabe zum Mischer 1 zur Erniedrigung der ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration erhitzt werden. Dabei kann zum Erhitzen des Substrats S1 Wärme verwendet werden, welche beispielsweise aus einem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk ausgekoppelt wird. Infolge der Wärmebehandlung freigesetzter Ammoniak wird zur Neutralisation einer Neutralisiervorrichtung 2 zugeführt. Dabei kann es sich um einen Säurewäscher, beispielsweise um einen Schwefelsäurewäscher, handeln.
  • Zur Herstellung eines Gärsubstrats wird der Mischung Prozesswasser P und, falls erforderlich, zusätzlich Frischwasser F zugesetzt. Nach dem Einstellen einer geeigneten Konsistenz wird das so hergestellte Gärsubstrat in einem Reaktor 3 überführt. Dabei wird eine Ammonium-Stickstoffkonzentration im Reaktor 3, vorzugsweise kontinuierlich, bestimmt und geregelt, so dass eine Minimalkonzentration von 3,0 kg NH4-N/m3 nicht unter- und eine Maximalkonzentration von 6,5 kg NH4-N/m3 nicht überschritten wird. Zur Einhaltung des vorgenannten Konzentrationsbereichs wird Gärsubstrat einer geeigneten Ammonium-Stickstoffkonzentration zugeführt. Die H2S-Konzentration wird im Reaktor 3 zweckmäßigerweise so eingestellt, dass sie einen Wert von 100 mg/l nicht übersteigt.
  • Zum Suspendieren von Feststoffen ist im Reaktor 3 ein Haspelrührwerk 4 vorgesehen. Mit dem Bezugszeichen B ist Biogas bezeichnet, welches beim Vergären des Gärsubstrats gebildet wird und aus dem Reaktor 3 zur Erzeugung von Energie abgeführt wird.
  • Sobald das Gärsubstrat im Wesentlichen vergoren ist, wird es mittels des Haspelrührwerks 4 suspendiert und in eine nachgeschaltete Flüssig-/Festphasentrennvorrichtung 5, z. B. einen Dekanter, gepumpt. Dort wird das im Wesentlichen vergorene Gärsubstrat in eine feste Phase und eine flüssige Phase getrennt.
  • Die flüssige Phase wird mittels Ultrafiltration UF gereinigt und anschließend einer, vorzugsweise zweistufigen, Umkehrosmose UO unterzogen. Nach Durchführung einer ersten Umkehrosmosestufe fällt eine flüssige Phase an, die aus dem Prozess ausgekoppelt und als Flüssigdünger verwendet werden kann. Nach Durchführung einer zweiten Umkehrosmosestufe fällt Prozesswasser P an, welches dem Mischer 1 zur Herstellung des Gärsubstrats zugeführt wird. Überschüssiges Prozesswasser P kann nötigenfalls dem Prozess entzogen werden.
  • Die aus der Flüssig-/Festphasentrennvorrichtung 5 abgezogenen Feststoffe können getrocknet und nachfolgend pelletiert werden. Sie können entweder als Dünger verwendet, kompostiert oder auch verbrannt werden.
    • 1
    Mischer
    2
    Neutralisiervorrichtung
    3
    Reaktor
    4
    Haspelrührwerk
    5
    Flüssig-/Festphasentrennvorrichtung
    B
    Biogas
    F
    Frischwasser
    P
    Prozesswasser
    S1
    Substrat
    S2
    weiteres Substrat
    UF
    Ultrafiltration
    UO
    Umkehrosmose
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005047719 A1 [0002]

Claims (19)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Biogas (B) aus einem Substrat (S1) mit einer ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration von mehr als 5,0 kg NH4-N/m3, insbesondere Geflügelkot, mit folgenden Schritten: Herstellen eines eine Mischung aus dem Substrat (S1) und weiterem Substrat (S2) enthaltenden Gärsubstrats, Bestimmen einer zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration des Gärsubstrats und Einstellen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration im Gärsubstrat derart, dass ein Minimalwert von 3,0 kg NH4-N/m3 nicht unterschritten und ein Maximalwert von 5,5 kg NH4-N/m3 nicht überschritten wird, wobei dem Gärsubstrat (i) zum Erniedrigen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration einem vergorenen Gärrest entzogenes und mittels eines Umkehrosmoseverfahrens gereinigtes Prozesswasser (P) und (ii) zum Erhöhen der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration dem Gärsubstrat Substrat (S1) zugesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Bestimmung der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration der Ammoniumgehalt oder der Ammoniakgehalt im Gärsubstrat gemessen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration im Substrat (S1) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der ersten Ammonium-Stickstoffkonzentration der Ammoniumgehalt oder der Ammoniakgehalt im Substrat (S1) gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration durch Erhitzen des Substrats (S1) vor der Zugabe zum Gärsubstrat auf einem vorgegebenen Wert verringert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Wert in Abhängigkeit der zweiten Ammonium-Stickstoffkonzentration sowie der Menge des Gärsubstrats und der und der Menge des Substrats (S1) ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Erhitzen des Substrats (S1) durch Verbrennen von Biogas (B) erzeugtes Abgas verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dritte Ammonium-Stickstoffkonzentration des weiteren Substrats (S2) kleiner als die erste Ammonium-Stickstoffkonzentration ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weitere Substrat (S2) im Wesentlichen aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen oder biogenen Reststoffen gebildet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Herstellung des Gärrests aus dem Gärsubstrat sich absetzendes Sediment mittels eines Haspelrührwerks (4) im vergorenen Gärsubstrat suspendiert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gärrest mittels einer Pumpe aus einem Gärreaktor (3) abgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Gärrest enthaltene Feststoffe mittels Mikrofiltration, vorzugsweise mittels Ultrafiltration (UF), abgetrennt werden.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abgetrennten Feststoffe kompostiert oder pelletiert werden.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Umkehrosmoseverfahren eine erste Umkehrosmose und nachfolgend eine zweite Umkehrosmose durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teil einer nach dem Abtrennen der Feststoffe aus dem Gärrest verbleibenden Restflüssigkeit abgezogen und als Flüssigdünger oder zu dessen Herstellung verwendet wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Restflüssigkeit mittels des Umkehrosmoseverfahrens gereinigt und eine dabei gebildete weitere Restflüssigkeit als Flüssigdünger oder zu dessen Herstellung verwendet wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein etwa dem Volumen der abgezogenen Restflüssigkeit und/oder weiteren Restflüssigkeit entsprechendes Volumen an Flüssigkeit (F, P) dem Gärsubstrat zugesetzt wird.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Flüssigkeit im Substrat (S1) oder im weiteren Substrat (S2) enthaltenes Wasser verwendet wird.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein ggf. verbleibendes Differenzvolumen durch die Zugabe weiterer Flüssigkeit, vorzugsweise Frischwasser (F), Restwasser oder Abwasser, ausgeglichen wird.
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