DE102013018833A1

DE102013018833A1 - Verfahren zur Aufbereitung eines aus einem Fermenterreaktor stammenden Reststoffes

Info

Publication number: DE102013018833A1
Application number: DE201310018833
Authority: DE
Inventors: Reik Ellmann
Original assignee: BINOWA GmbH
Current assignee: ELLMANN ENGINEERING (EE) GMBH, DE
Priority date: 2013-11-10
Filing date: 2013-11-10
Publication date: 2015-05-13
Also published as: EP3066205A1; WO2015067813A1; HUE048090T2; LT3066205T; EP3066205B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem der aus einem anaeroben Fermenterreaktor stammende Reststoff als Anmaischsubstrat für feste oder feststoffhaltige organische Biomasse zur Biogasgenerierung aufbereitet wird. Dabei erfolgt zunächst eine Fest-Flüssigtrennung des Reststoffes, wonach der flüssige Anteil als Dünnlauf einem isolierten Reaktionsbehälter zugeführt wird, in dem dieser einer anaeroben Ammonium-Oxidation unter Nutzung von Anammox-Organismen zur Reduzierung der Ammoniumkonzentration im Submersverfahren unterzogen wird. Die Zönose des Reaktionsbehälters wird auf einer Temperatur von zwischen 35 bis 45°C gehalten wird. U einer Verweildauer im Reaktionsbehälter wird das stickstoffabgereicherte Substrat als Prozesswasser der für die Biogasfermentation bestimmten Biomasse zugemischt und zusammen mit dieser in die erste Stufe eines Biogasprozesses geführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem der aus einem Fermenterreaktor stammende Reststoff als Anmaischsubstrat für feste oder feststoffhaltige organische Biomasse zur Biogasgenerierung aufbereitet wird.
Zu den Stoffen, die insbesondere zur Biogasgenerierung einem anaeroben Fermenterreaktor zugeführt werden, zählen Luzerne, Hühnermist oder Hühnergülle, proteinreiche Substanzen wie Schlachtabfälle oder Molkereiabwässer oder diesbezügliche allgemeine Abfälle. Dabei ist es zum Abbau fester und flüssiger organischer Biomasse bekannt, ein Rohgemenge – ggf. mit vorgeschalteter mechanischen Behandlung (bspw. Sandfang) – zu versäuern und einer Fermentation, d. h. einer Vergärung zur Biogasgenerierung zuzuführen. Bei dieser Methanisierung fällt neben der Produktion des eigentlichen Biogases auch ein Reststoffanteil als Gärrest an, der als Kompost ausgetragen oder als Düngerzusatz weiterverarbeitet werden.
Bei der Verarbeitung des Gärrestes zu einem Düngerrohstoff kann der Gärrest nachfolgend einer mechanischen Aufbereitung mit einer Trennung zur Eindickung in zwei Teilströmen weitergeführt werden. Während der erste Teilstrom einer Trocknung zur Produktion eines trockenen Düngers unterzogen wird, durchläuft der zweite Teilstrom des nach der Verpressung verbleibenden Flüssiganteils oder Dünnlaufs im Stand der Technik eine Eindampfung mit einem Trockensubstanzanteil von ca. 15%. Beide Rohstoffe können, wenn diese hinsichtlich ihrer Nährstoffe hochwertig sind, landwirtschaftlich verwertet werden, sie andernfalls entsorgt werden müssen.
Im Stand der Technik besteht das Problem, dass sich nicht jede Ausgangs-Biomasse gleichermaßen zur Fermentation eignet. Häufig bleiben nicht fermentierbare Rückstände übrig, die entsorgt oder gesondert verwertet werden müssen. Unzureichend fermentierbar sind insbesondere Rückstände, die Lignin oder Ähnliches enthalten.
Auch ist es problematisch, dass bei einigen Ausgangs-Biomassen für Biogasanlagen hohe Konzentrationen an Stickstoff in Form von Ammoniumverbindungen vorliegen. Ammonium führt bei erhöhten Konzentrationen nachteilhaft zu einer Wachstumshemmung der für die Methanogenese erforderlichen anaeroben Bakterien und damit zu einer Verminderung der Biogasproduktion oder gar zur völligen Blockade des biologischen Systems. Überdies ist der relative Methananteil im Biogas dann durch einen hohen Ammoniakgehalt reduziert. Bei der Verbrennung eines solchen Stickstoffverbindungen enthaltenden Gases zur Energiegewinnung entstehen überdies umweltbelastende Stickoxide, die es zu vermeiden gilt.
Das Problem eines zu hohen Stickstoffanteils bei der Klärung von Biomasse kennt man bereits aus Abwasseranlagen für kommunale Abwässer. Hier wird zur Reduzierung des Stickstoffgehaltes u. a. das sog. Anammox-Verfahren eingesetzt, bei dem der Stoffwechsel des Bakteriums Brocadia anammoxidans genutzt wird, um Ammonium unter anaeroben Bedingungen mit Nitrit zu molekularem Stickstoff umzusetzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Gärrest eines Fermenters so aufbereitet wird, dass er danach geeignet zur weiteren Energiegewinnung, insbesondere als Additiv für frische Biomasse zur erneuten Biogasgenerierung verwertet werden kann.
Diese Aufgabe wird grundlegend durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den nachgeordneten Unteransprüchen hervor.
Kerngedanke der Erfindung ist es, den Reststoff der Biogasanlage so zu modifizieren, dass er nach Aufbereitung in die Biogasproduktion rückgeführt werden kann, bzw. als Prozesswasser einer zur Biogasgewinnung bestimmten Biomasse zugemischt werden kann und auf diese geeignet einwirkt. Besagte Aufbereitung betrifft dabei insbesondere eine für die Biogasgenerierung erforderliche Reduzierung des Ammoniumgehaltes im Ausgangssubstrat. Dadurch erzielt die Erfindung eine Minimierung der Ammoniakfreisetzung in der eigentlichen Hydrolysestufe.
Erfindungsgemäß wird zunächst der aus der Biogasgenerierung stammende Reststoff, d. h. der Gärrest einer Fest-Flüssigtrennung unterzogen. Die hieraus resultierende wässrige Phase, der sog. Dünnlauf wird sodann einer anoxischen biotechnologischen Stufe zugeführt. Diese umfasst einen Biomassewachstumsreaktor, in der spezielle, stickstoffbildende Mikroorganismen gebildet werden. Zu diesen gehören Brocadia anammoxidans. In dem Reaktor kommt es durch einen hohen Gehalt an diesen speziellen Mikroorganismen zur wesentlichen Reduzierung des Ammoniumstickstoffs und des Gesamtstickstoffs. Letzteres erfolgt dadurch, dass Ammonium mit Nitrit unter anaeroben Bedingungen zu Stickstoff umgesetzt wird.
Als erfindungswesentlich wurde hierbei erkannt, dass die zur Spaltung des Stickstoffs genutzten Mikroorganismen autotrophe Organismen sind, die, wenn das stickstoffabgereicherte Substrat mitsamt der herangewachsenen Mikroorganismen als Prozesswasser unter eventueller Mischung mit neuer Biomasse rezirkuliert und dem Hydrolyseverfahren erneut zugeführt wird, das vielfältig in der Hydrolyse entstehende Kohlenstoffdioxid als Wachstumssubstrat nutzen und damit den relativen Kohlenstoffdioxidgehalt im Hydrolysegas und im finalen Biogas senken.
Stickstoffspaltende Mikroorganismen sind autotrophe Mikroorganismen, d. h. ihre Kohlenstoffquelle ist Kohlenstoffdioxid bzw. die entsprechende wasserlösliche Form Hydrogencarbonat. In der flüssigen Phase aller Biogasanlagen ist Hydrogencarbonat in hohen Konzentrationen vorhanden. Es wirkt als Puffersystem und stabilisiert so den pH-Wert. Die Konzentration an Hydrogencarbonat wird als TAC (Total Anorganic Carbon) gemessen und kontrolliert. Durch die hohe Verfügbarkeit dieses Kohlenstoffanteils gerade bei Biogasanlagen kommt es zu einem verstärkten Wachstum der stickstoffbildenden Mikroorganismen und dadurch zu ihrer Anreicherung. Die vorliegende Erfindung arbeitet in einem TAC Wertebereich von 5000,- bis 30000,- mg HCO₃/l.
Als erfindungswesentlich wurde ferner festgestellt, dass sich auf das Wachstum außerdem eine hohe Temperatur begünstigend auswirkt, da sie nicht nur die Substrataufnahme fördert, sondern auch das Wachstum von Konkurrenten behindert. Deshalb wird in dem separaten Anzucht-Reaktionsbehälter die Zönose bei Temperaturn um 40°C, erfindungsgemäß zwischen 35 bis 45°C gehalten. Das Wachstum der Anammoxbakterien selbst ist bei höheren Temperaturen beschleunigt. Jedoch sinkt mit steigenden Temperaturen die Kohlenstoffdioxidlöslichkeit und damit dessen Verfügbarkeit für die Mikroorganismen im Wasser. Erfindungsgemäß musste somit eine optimale Temperatur im mesophilen Bereich gefunden werden, die mit angegebenem Bereich von zwischen 35 bis 45°C erfindungsgemäß in Versuchen konstatiert werden konnte.
Beim ggf. folgenden Prozessschritt, dem Anmaischen von neuer Biomasse mit dem aufbereiteten Gärrest-Produkt, wirkt sich diese hohe Temperatur der Anmaischsuspension beschleunigend auf das Aufquellen trockener, kohlenhydratreicher Substrate aus. Damit wirkt das aufbereitete Gärrest-Produkt auch auf solche Biomasse positiv ein, die sich originär für eine Biogasgenerierung nicht so eignen würde. Schließlich kommt es durch das spezielle Anmaischen mit dem aus der Aufbereitung des Gärrestes erhaltenen Prozesswasser zu einer Beschleunigung des Hydrolyseprozesses. Mit anderen Worten: Wird das stickstoffarme Prozesswasser als Anmaischwasser verwendet, kann durch Vorquellen der Biomasse eine schnellere Hydrolyse stattfinden. Damit wird der Gesamtprozess der Biogasbildung beschleunigt.
Für den Energiegewinnungsprozess der Mikroorganismen als Voraussetzung für ihr Wachstum ist Sauerstoff zur Umwandlung von Ammonium- über Hydroxylamin zu Nitritstickstoff notwendig. Aus diesem Grund ist vorteilhaft vorgesehen, den Aufzucht-Reaktor zu belüften. Allerdings führt eine hohe Sauerstoffzufuhr zur Weiteroxidation des Nitrit- zum Nitratstickstoff. Deshalb muss der Sauerstoffeintrag begrenzt, kontrolliert und geregelt gestaltet werden. Da der Sauerstoffgehalt sehr niedrig und damit außerhalb des Messbereichs üblicher Sauerstoffelektroden ist, wird die Regelung in vorteilhafter Weise über das Redoxpotenzial vollzogen. Dabei werden substratspezifische Werte zur Regelung genutzt, die vom Gehalt reduzierender Substanzen im Gärrest bestimmt werden.
Die Erfindung erzielt unter Nutzung des Kohlenstoffanteils des Gärrestes damit den Vorteil einer Erhöhung der verfügbaren Konzentration an Anammoxbakterien, durch deren Wirkung eine Reduzierung des Ammonium- und Gesamtstickstoffgehaltes schneller und effektiver möglich und damit eine Wiederverwendung des nunmehr stickstoffarmen Wassers als Anmaischwasser möglich ist. Dabei sind Zulaufkonzentrationen von Ammonium von bis zu 7 g/l verwertbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Belüftung des Reaktors zur Nitritbildung und/oder die Dauer und die Intensität einer Umwälzung der Zönose im Reaktor gesteuert. Für die Umwälzung werden mechanische Rührwerke, hydraulische Rührsysteme oder Gaseinpressungen eingesetzt.
Als vorteilhaft hat sich auch gezeigt, dass der Gehalt an Hydroxylamin in der Behälter-Zönose ermittelt wird, um daraus eine Konzentration der Anammox-Organismen abzuleiten.
Die Verweildauer der Zönose im Reaktorbehälter beträgt vorteilhaft zwischen 24 Stunden und 6 Tagen.
Bei diskontinuierlicher Entnahme des stickstoffabgereicherten Substrats aus dem Reaktionsbehälter werden vorteilhaft von diesem maximal nur 40 bis 80% pro Charge entnommen, um das Wachstum der Organismen in einem stabilen Gleichgewicht zu halten.
Zur vorteilhaften Steuerung des Prozesses wird der pH Wert, die Leitfähigkeit und das Redoxpotential des Reaktorinhaltes kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet.

Claims

Verfahren zur Aufbereitung eines aus einem Fermenterreaktor stammenden Reststoffes als Anmaischsubstrat für feste oder feststoffhaltige organische Biomasse für eine Biogasgenerierung, bei dem – eine Fest-Flüssigtrennung des Reststoffes erfolgt, – der flüssige Anteil als Dünnlauf einem isolierten Reaktionsbehälter zugeführt wird, in dem der Dünnlauf einer anaeroben Ammonium-Oxidation unter Nutzung von Anammox-Organismen zur Reduzierung der Ammoniumkonzentration im Submersverfahren unterzogen wird, wobei die Zönose des Reaktionsbehälters auf einer Temperatur von zwischen 35 bis 45°C gehalten wird, – und nach Ablauf einer Verweildauer im Reaktionsbehälter das stickstoffabgereicherte Substrat als Prozesswasser einer für die Biogasfermentation bestimmten Biomasse zugemischt und zusammen mit dieser in die erste Stufe eines Biogasprozesses geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Produktion von Nitrit ein Sauerstoffeintrag in den Reaktionsbehälter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gesteuerte Durchmischung der Behälter-Zönose erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Hydroxylamin in der Behälter-Zönose ermittelt wird, aus dem eine Konzentration der Anammox-Organismen abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Kohlenstoffanteil der Behälter-Zönose als TAC (total anorganic carbon) in einem Bereich von 5000 bis 30000 mg HCO₃ pro Liter gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer im Reaktionsbehälter zwischen 24 h und 6 Tagen beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei diskontinuierlicher Entnahme des stickstoffabgereicherten Substrats aus dem Reaktionsbehälter von diesem maximal 40 bis 80% pro Charge entnommen werden.