DE102008045214A1 - Verfahren zur Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen Wässern aus Vergärungsanlagen in protein- und fetthaltige Biomasse auf mikrobieller Basis - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen Wässern aus Vergärungsanlagen in protein- und fetthaltige Biomasse auf mikrobieller Basis durch aerobe Assimilation der Stickstofffrachten mittels chemoorganotropher Mikroorganismen bei Vorhandensein von Phosphat, leicht verfügbarem Kohlenstoff und Wärme. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass aus Vergärungsprozessen stammende energieabgereicherte Wässer mit hohen Stickstoffkonzentrationen mittels aerober Assimilation in eine proteinhaltige Biomasse umgewandelt werden, wobei gegebenenfalls vorhandene schleimige Bestandteile aufgelöst werden, dass die proteinhaltige Biomasse in eine eingedickte und eine Dünnphase getrennt wird, dass die eingedickte Phase einer stofflichen und/oder energetischen Verwertung zur Verfügung steht und die Dünnphase ausgeschleust und/oder einem vorgelagerten Vergärungsprozess als Rezirkulat zugeführt wird und dass darüber hinaus bestimmte Verfahrensbedingungen gemäß der Patentansprüche eingehalten werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen Wassern aus Vergärungsanlagen in proteinhaltige fettangereicherte Biomasse auf mikrobieller Basis mit dem Ziel der Herstellung von Tierfutter und/oder der erneuten energetischen Verwertung in Vergärungsverfahren.
- Besagte stickstoffhaltige Wässer fallen vorwiegend in Vergärungsverfahren der Landwirtschaft, der Lebensmittelindustrie und der Abfallwirtschaft in großen Mengen an.
- Vor dem Hintergrund der wachsenden Bedeutung der alternativen Energiegewinnung ist zu beobachten, dass die Zahl der Biogasanlagen, die entweder auf Basis von Reststoffen oder mit nachwachsenden Rohstoffen Gas zur Strom- und Wärmeerzeugung produzieren, in den letzten Jahren stark zugenommen hat und weiter im Steigen begriffen ist. Auch die Zahl der Produzenten, die aus nachwachsenden Rohstoffen bzw. aus Zwischen- oder Restprodukten ihres eigenen industriellen Prozesses Ethanol, Strom und Wärme erzeugen, wächst.
- Bei diesen im Praxiseinsatz befindlichen Verfahren werden organische Verbindungen abgebaut. Zurück bleiben anorganische Verbindungen, hauptsächlich Stickstoff- und Phosphorverbindungen.
- Die Prozessstabilität erfordert ein Ausschleusen dieser Stoffe aus dem System, um die pH-Wert-Stabilität zu sichern, wenn die Konzentration dieser Stoffe zu hoch wird. Teile der Prozesswasser werden derzeit gegen hohe Abgaben in das öffentliche Netz eingeleitet und in den dortigen Anlagen aufwändig behandelt. Andere Produzenten verbringen ihre stickstoff- und phosphorbelasteten Restwässer auf landwirtschaftliche Flächen, konzentrieren diese oder produzieren unterschiedliche Düngemittel daraus, die letztlich wiederum auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht werden.
- Aus umweltpolitischen Gründen sollte das Bestreben aber vorzugsweise dahin gehen, Stickstoff- bzw. Phosphorverbindungen abzubauen.
- Zielstellung dabei ist, die in Rede stehenden Reststoffe bzw. Abprodukte, wie bereits erwähnt, nicht mehr der Abwasserreinigung zuzuführen, sondern zu verwerten, indem diese als Basis für die Herstellung von Futtermitteln oder als Basis für die Erzeugung von Biomasse zur energetischen Verwertung eingesetzt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahrens soll deshalb ein breites Anwendungsgebiet erschließen und beispielsweise bei der Zuckerherstellung, in Brauereien und Brennereien, bei der Obstverarbeitung, in Bäckereien, in Milchverarbeitungsbetrieben und dgl. nutzbar sein.
- Stand der Technik
- Zur Behandlung von stickstoffhaltigen Abwässern sind Anlagen bekannt, die den Stickstoff biologisch reduzieren (Nitrifikation/Denitrifikation) oder chemisch-physikalisch entfernen (Strippen, Filtration, Umkehrosmose).
- Es entsteht entweder ein „gereinigtes", d. h., im Schadstoffgehalt reduziertes Abwasser und eine flüchtige gasförmige Phase oder alternativ ein konzentrierter Abwasserteilstrom (Retentat).
- Eine Verfahrenstechnik, die die im Abwasser enthaltenen Stickstofffrachten als Wertstoffe, die letztlich dem Nährstoffkreislauf oder der Energiegewinnung zur Verfügung stehen, erscheinen lassen, ist bisher nicht bekannt.
- In Anlagen nach dem Stand der Technik wird NH4 abgebaut und verflüchtigt oder aufkonzentriert. Eine vollständige Kreislaufwirtschaft und Wertschöpfung ist deshalb unmöglich.
- Durch die in die Natur abgeleitete Stickstoff- und Phosphorfracht kommt es zur weiteren Eutrophierung von Gewässern und insgesamt zur Verschlechterung der Grundwassersituation.
- Ein weiteres biologisches Prinzip zur Entfernung von im Wasser akkumulierten stickstoffhaltigen Verbindungen ist die aerobe Assimilation von Nährstoffen.
- Die assimilatorische Umsetzung von Ammonium, Nitrat und Nitrit zu CO2, Wasser und Biomasse wird im Wasser bei Zugabe einer organischen Kohlenstoff- und Energiequelle und bei Anwesenheit von ausreichend Sauerstoff durch geeignete schnell wachsende chemoorganotrophe Mikroorganismen realisiert.
- Bei der aeroben Assimilation von Ammonium, Nitrit und Nitrat wird nicht nur der Stickstoff in der Biomasse festgelegt, sondern auch ein großer Teil anderer im Wasser akkumulierter Mineralstoffe, wie beispielsweise Phosphat, Kalium, Kalzium und Magnesium. Bei kontinuierlicher Abtrennung der entstehenden Biomasse ist somit eine weitgehende Wasserregenerierung und Wiederverwendung möglich.
- Ein technisches Verfahren, dass nach diesem biologischen Prinzip arbeitet, ist in der
DE 196 23 502 vorgestellt worden. Es bezieht sich allerdings auf die Verbesserung der Wasserqualität in Aquarien, Gartenteichen und sonstigen stehenden Gewässern und ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch ein entnehmbares Filtermaterial geführt wird und dass eine Energiequelle für die Mikroorganismen vorgesehen ist, wobei als vorteilhaft angesehen wird, dass das Filtermaterial selbst die Energiequelle bildet. - Ein weiterentwickeltes gattungsgemäßes Verfahren ist in der
DE 103 38 147 „Verfahren zur biologischen Wasserreinigung, insbesondere in Anlagen zur Fischzucht bzw. -haltung" beschrieben. Dieses hat die Verbesserung der Wasserqualität bei gleichzeitiger Reduzierung der Umweltbelastung zum Ziel uns ist nicht vordergründig auf die Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen Wässern aus Vergärungsanlagen in proteinhaltige Biomasse mit dem Ziel der Herstellung von Tierfutter und/oder der erneuten energetischen Verwertung in Vergärungsverfahren ausgerichtet. - Als bevorzugtes Anwendungsgebiet wird der Einsatz in Kreislaufanlagen der Fischwirtschaft gesehen.
- Die biologische Wasserreinigung erfolgt durch Entfernung der im Wasser akkumulierten stickstoffhaltigen Verbindungen und anderer Nährstoffe mittels aerober Assimilation und ist durch die Anwesenheit einer organischen Kohlenstoff- und Energiequelle im gesamten Prozesswasser ohne Vorhandensein eines Trägermaterials, ausreichend vorhandenem Sauerstoff und schnell wachsender chemoorganotropher Mikroorganismen, sowie durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Abtrennung der entstehenden Überschussbiomasse gekennzeichnet.
- Das Verfahren dient ausschließlich der Reinigung der Wässer und damit der Wiederverwendung derselben im Fischwasserkreislauf. Nachteilig ist außerdem, dass Phosphat zugesetzt werden muss. Die Inhaltsstoffe der Fischwasser unterscheiden sich zudem teilweise wesentlich in den enthaltenen mineralischen und organischen Substanzen von den Einsatzwässern des vorgeschlagenen Verfahrens.
- Die Trockensubstanzgehalte im zu reinigenden Fischwasser liegen bei nur etwa 0,2 Masse-%, die der zur Behandlung vorgesehenen hochbelasteten stickstoffhaltigen Wässern aus Vergärungsanlagen bis etwa 5 Masse-%.
- Nachteilig ist weiterhin, dass sich die Prozesswassertemperaturen beim Verfahren nach
DE 103 38 147 nach dem Bedarf des Fischbesatzes richten und nicht nach den Bedarf der eingesetzten Mikroorganismen eingestellt werden können. - In der Zusammenschau der aufgeführten Gründe war es daher nicht ohne weiteres möglich, das Verfahren nach
DE 103 38 147 für die Lösung der gestellten erfinderischen Aufgabe zu übernehmen. Vielmehr war hierfür ein gewisses Maß an erfinderischen Tätigkeit zu erbringen. - Mit der Entwicklung einer Technologie, durch die einerseits Nährsalze nicht verdünnt oder vernichtet werden, sondern dem Kreislauf wieder zur Verfügung stehen und durch die andererseits auch Restkonzentrationen aus Abwasserströmen entnehmbar sind, soll zusätzlich zu den bereits genannten Zielstellungen ein wesentlicher Beitrag zur nachhaltigen Entlastung der Natur und zur Schonung der Ressourcen geleistet werden.
- Aufgabenstellung
- In Würdigung des bekannten Standes der Technik ist es aus der Sicht des Anmelders wirtschaftlich und mit Blick auf die Effizienzverbesserung der genannten Vergärungsverfahren in den einzelnen Industriezweigen und der Landwirtschaft an der Zeit, die in den verschiedenen Vergärungsprozessen anfallenden ammoniumhaltigen Reststoffe sinnvoll zu verwerten und nicht länger zu entsorgen, beispielsweise durch Deponieren, Verdünnen, Strippen oder Verbrennen.
- Dazu ist ein Verfahren zu entwickeln, das das vorhandene Ammoniumpotential, welches im Allgemeinen bei Vergärungsprozessen entsteht, beispielsweise in der Landwirtschaft, der Lebensmittelindustrie und der Abfallwirtschaft sowie bei der Produktion von Alkohol, Ethanol, alkoholhaltigen Stoffen, Gas und Wärme, als Ausgangsstoff für einen mikrobiologischen Prozess zur Bildung einer hauptsächlich organischen Biomasse mit hohen Proteinanteilen, die sowohl stofflich als auch energetisch verwertet werden kann, nutzt.
- Gegenstand der Erfindung
- Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
- Die Reduzierung der Ammoniumbestandteile im Prozesswasser ist als gewünschter Nebeneffekt willkommen.
- Die gewonnene Biomasse wird mittels Mikrofiltrationsmodulen oder anderen geeigneten technischen Verfahren eingedickt. Die so konzentrierte Biomasse hat einen Trockensubstanzgehalt von 6–10 Masse-%. In der Trockensubstanz der konzentrierten Biomasse sind zwischen 90 und 99 Masse-% organische Trockensubstanz enthalten, wobei deren Proteingehalt bei 40–45 Masse-% liegt. Der Fettgehalt liegt zwischen 5 und 15 Masse-%.
- Die für die Tierernährung wichtigsten Aminosäuren und wichtigen ungesättigten Fettsäuren sind darin nachweisbar.
- Liegen dem vorgelagerten Vergärungsprozess nur Ausgangsprodukte wie Weizen, Mais, Zuckerreststoffe, Kartoffelreststoffe usw. zu Grunde, so ist die Weiterverarbeitung der protein- und fetthaltigen Biomasse zu einem Wertstoff, beispielsweise Tierfutter, anzustreben. Sich hier anschließende Arbeitsstufen wären dann weiteres Trocknen, Zerkleinern, gegebenenfalls Mischen mit Zusatz- und Ergänzungsstoffen, Granulieren oder Pelletieren, Konfektionieren und Lager.
- Sind die Ausgangsstoffe des vorgelagerten Vergärungsverfahrens mit Fäkalien oder anderen für die Tierernährung nicht zugänglichen Schadstoffen besetzt, so ist die proteinhaltige Biomasse aus hygienischen Gründen zwingend solchen Gärungsprozessen zuzuführen, die ausschließlich der Biogasbildung dienen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist entweder als selbständiges Verfahren konzipiert oder einem Vergärungsverfahren direkt nachgeordnet.
- In jedem Fall werden die energieabgereicherten Wässer mit hohen Stickstoffkonzentrationen in eine proteinhaltige Biomasse umgewandelt. Dabei werden gegebenenfalls vorhandene schleimige Bestandteile aufgelöst und die Biomasse in eine eingedickte und eine dünne Phase getrennt.
- Die eingedickte Phase wird entweder einer stofflichen oder energetischen Verwertung zugeführt. Die Dünnphase wird aus dem Prozess ausgeschleust oder bei Nachordnung als Rezirkulat/Prozeßwasser einem Vergärungsverfahren wieder zugeführt.
- Zur Verfahrensdurchführung wird Wärme benötigt. Diese wird entweder separat von außen zugeführt oder von einem vorgelagerten Vergärungsverfahren bzw. von einem einen Blockheizkraftwerk nachgelagerten Vergärungsprozess zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus sind Kohlenstoff und Sauerstoff bereitzustellen.
- Ausführungsbeispiel
- Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen (
1 –3 ) näher erläutert. In den Abbildungen ist die verfahrensseitige Kopplung des Verfahrens zur Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen Wässern in proteinhaltige Biomasse nach den Merkmalen der Erfindung an ein Vergärungsverfahren, dass die Verarbeitung verschiedener Produkte zum Inhalt hat, dargestellt. - Die
1 bis3 sind stark vereinfachte Strukturbilder, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser in proteinhaltige Biomasse2a bis2c in verschiedenen Modifikationen zur Umwandlung von energieabgereicherten Wässern, die hohe Stickstoffkonzentrationen aufweisen, darstellen. Das Verfahren2a bis2c ist jeweils einem Vergärungsverfahren1a bis1c als Hauptverfahren zur Produktion von Ethanol/Alkohol und/oder Gas und Wärme nachgeordnet. - Aus den im Vergärungsverfahren
1a bis1c anfallenden energieabgereicherten, stickstoffhaltigen Wässern wird eine protein- und fetthaltige Biomasse gewonnen, wobei gegebenenfalls vorhandene schleimige Bestandteile aufgelöst werden. - Eine Phasentrennung wird dadurch wieder möglich. Toxisch wirkende Mikroorganismen aus dem Gärrest werden durch probiotisch und antitoxisch wirkende Bakterien in ihrer Entwicklung gehemmt bzw. eliminiert. Die Biomasse wird nachfolgend in eine eingedickte und eine dünne Phase getrennt. Dazu werden bekannte Verfahren und Vorrichtungen benutzt. Die eingedickte Phase wird entweder einer stofflichen Verwertung
7a oder einer energetischen Verwertung7b zugeführt. - Damit wird eine Beschleunigung der Hydrolyse im Vergärungsprozess und eine Reduzierung der originären Rohstoffmenge des Vergärungsprozesses erreicht.
- Die Dünnphase wird dem Vergärungsverfahren
1a bis1c als Rezirkulat/Prozesswasser9 zugeführt oder durch Ausschleusung8 aus dem Verfahren2a bis2c entfernt, wobei beide Möglichkeiten gleichzeitig realisierbar sind. - Zur Verfahrensdurchführung wird in jedem Fall Wärme
4 benötigt, die in den gewählten Beispielen jeweils aus dem Vergärungsverfahren1a bis1c bereitgestellt wird. - Weiterhin werden Kohlenstoff
5 und Sauerstoff6 von außen zugeführt. - Zur weiteren Erläuterung wird auf die Ausführungen in der Beschreibung verwiesen.
-
- 1a
- Vergärungsverfahren (zur Produktion von Ethanol/Alkohol und/oder Gas auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen, zum Beispiel Weizen oder Mais),
- 1b
- Vergärungsverfahren (zur Produktion von Ethanol/Alkohol und/oder Gas auf Basis von Kartoffeln und/oder Kartoffelprodukten), Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie
- 1c
- Vergärungsverfahren (zur Produktion von Gas auf der Basis energiehaltiger Abfallstoffe, beispielsweise Gülle oder andere organische Abfälle),
- 2a
- Verfahren zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser in proteinhaltige Biomasse (mit integrierter Phasentrennung),
- 2b
- Verfahren zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser in proteinhaltige Biomasse (mit Entschleimung und integrierter Phasentrennung),
- 2c
- Verfahren zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser in proteinhaltige Biomasse (mit integrierter Phasentrennung),
- 3
- Stickstoffreiche, energieabgereicherte Fracht (aus dem Vergärungsverfahren),
- 4
- Wärme (bevorzugt aus dem Vergärungsverfahren),
- 5
- Kohlenstoff,
- 6
- Luftsauerstoff,
- 7a
- Proteinhaltige, eingedickte Biomasse (zur stofflichen Verwertung, z. B. in der Tierfutterproduktion),
- 7b
- Proteinhaltige, eingedickte Biomasse (zur energetischen Verwertung),
- 8
- Ausschleusung (der Dünnphase),
- 9
- Dünnphase (als Rezirkulat/Prozeßwasser für das Vergärungsverfahren).
- 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 19623502 [0017]
- - DE 10338147 [0018, 0023, 0024]
Claims (4)
- Verfahren zur Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen Wässern aus Vergärungsanlagen in protein- und fetthaltige Biomasse auf mikrobieller Basis durch aerobe Assimilation der Stickstofffrachten mittels chemoorganotropher Mikroorganismen bei Vorhandensein von Phosphat, leicht verfügbarem Kohlenstoff und Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass aus Vergärungsprozessen stammende energieabgereicherte Wässer mit hohen Stickstoffkonzentrationen mittels aerober Assimilation in eine proteinhaltige Biomasse umgewandelt werden, wobei gegebenenfalls vorhandene schleimige Bestandteile aufgelöst werden, dass die proteinhaltige Biomasse in eine eingedickte und eine Dünnhase getrennt wird, dass die eingedickte Phase einer stofflichen und/oder energetischen Verwertung zur Verfügung steht und die Dünnphase ausgeschleust und/oder einem vorgelagerten Vergärungsprozess als Rezirkulat/Prozeßwasser zugeführt wird und dass folgende Verfahrensbedingungen eingehalten werden, – Die zur Verfahrensdurchführung benötigte Wärme, Kohlenstoff und Sauerstoff werden von außen separat zugeführt, wobei die Wärme einem gegebenenfalls vorgelagerten Vergärungsprozess entnehmbar ist; – Die energieabgereicherten Wasser weisen Ammoniumwerte bis 7.000 mg NH4/1 auf; – Die Phosphatfrachten der energieabgereicherten Wässer betragen bis zu 300 mg/l; – Die energieabgereicherten Wasser enthalten bis zu 5 Masse-% Trockensubstanz, wobei auch schleimige Bestandteile enthalten sein können; – Die Mikroorganismenpopulation wird bei Temperaturen zwischen 20 und 45°C eingesetzt; – Die eingedickte Biomasse hat einen Trockensubstanzgehalt von 6–10 Masse-%; – In der Trockensubstanz der eingedickten Biomasse sind 90–99 Masse-% organische Trockensubstanz enthalten, wobei deren Proteingehalt bei 40–45 Masse-% liegt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biozönose, gegen die sich die eingesetzten Mikroorganismen durchsetzen müssen, stark variiert.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den Mikroorganismen leicht verwertbare Kohlenstoffquellen eingesetzt werden, nämlich Glukose, Saccharose, Stärke, Acetat oder dgl..
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die energieabgereicherten Wässer einer Vorbehandlung unterzogen werden können.
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DE102009024536A1 (de) | 2009-06-10 | 2010-12-16 | Lts Leipziger Technologie Service Gmbh | Verfahren zum effizienten Betrieb von Biomasse- Vergärungsanlagen |
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DE19623502A1 (de) | 1995-06-14 | 1996-12-19 | Dynamics Umweltschutz | Verfahren zur Verbesserung der Wasserqualität in stehenden Gewässern |
DE10338147A1 (de) | 2003-08-15 | 2005-03-31 | C & Pd Umwelttechnik Oelzschau Gmbh | Verfahren zur biologischen Wasserreinigung, insbesondere in Anlagen zur Fischzucht bzw. -haltung |
-
2008
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