DE19516378A1 - Verfahren zur Vergärung von organischen Reststoffen - Google Patents

Description

Das Verfahren betrifft die Vergärung von Bioabfällen, gewerblichen organischen Reststoffen sowie der organischen Restmüllfraktion unter besonderer Berücksichtigung der am Abbau beteiligten Mikroorganismen und damit erhöhten Abbau der organischen Substanz.

Stand der Technik der Vergärung von Biomüll sind die einstufige Trockenfermentation, die einstufige Naßfermentation sowie die zweistufige mesophile Naßfermentation. Unter Zweistufigkeit sollen in diesem Zusammenhang Verfahren mit separater biologischer Hydrolysestufe verstanden werden, d. h. eine räumliche Trennung zwischen mikrobieller Hydrolyse der nativ organischen Substanz und deren weitere Umwandlung in Methan und Kohlendioxid. Da für feststoffhaltige organische Reststoffe wie Biomüll die Hydrolyse mit Abbau der Biopolymeren der geschwindigkeitslimitierende Schritt ist, bietet diese Verfahrensstufe durch Optimierung der Hydrolyse den Ansatz zur Erhöhung der Abbauleistungen und damit die Weiterentwicklung der den Stand der Technik repräsentierenden Verfahren.

So wurden in Betriebsanlagen auch für Rinder- und für Schweinegülle erhöhte Abbauleistungen und Biogasausbeuten für den zweistufigen Betrieb erreicht (Vollmer et al., Zur Substratbereitstellung für die Erzeugung von Biogas aus Schweinegülle, Agrartechnik, Berlin 34, 506-507 (1984).

Die Einflußnahme auf die Hydrolyseleistungen erfolgt mittels chemischer oder/und biologischer Methoden.

So wird in einem von der REA Gesellschaft für Recycling von Energie und Abfall angemeldeten Verfahren (DE 41 20 808) der suspendierte Biomüll in einer Laugenstufe durch Zusatz von Chemikalien auf alkalische Bedingungen eingestellt, was zu einer erhöhten Hydrolyse der Feststoffe führt.

EP 0 566 056 beschreibt ein Verfahren, wo durch pH-Wert-Steuerung eine Vorsäuerung ereicht und somit die Feststoffhydrolyseleistung verbessert wird, d. h. hier soll die mikrobielle Säureproduktion genutzt werden.

Im PAQUES-Verfahren werden die Feststoffe in einem separaten Reaktor (Prethane-Reaktor) angesäuert, wobei schnellösliche Inhaltstoffe in Lösung gehen. Danach wird entwässert und ein Teil der Feststoffe wieder in den Prethane-Reaktor zurückgeführt.

Der andere Teil der Feststoffe kann in einen zweiten Reaktor (Rudad- Reaktor) gefördert und dort weiter mikrobiologisch aufgeschlossen werden. Die gemeinsamen Hydrolyseprodukte werden dann in einem Methan-reaktor zu Biogas umgesetzt (HACK, P.J. und Brinkmann J.A.: New Process for High Performance Digestion, Internatione Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste, Venedig 14.-17.04.1992, S. 401-402).

Für die bisher genannten Verfahren ist durch das Zwischenschalten von Trennaggregaten zur Feststoffseparierung ein relativ hoher maschinentechnischer Aufwand notwendig.

In dem Verfahren nach DE 35 37 310 erfolgt eine solche Abtrennung der Feststoffe nach der ersten Stufe nicht. Allerdings wird die erste Stufe hier in einem offenen Reaktor betrieben, der im Winter hohe Verweilzeiten erforderlich macht. Bedarfsweise ist aber eine Reduzierung der Feststoffzuführung in die Methanstufe mittels direktem Abzug aus der sauren Phase möglich.

Die genannten den Stand der Technik repräsentierenden Verfahren sind empirisch entwickelt worden, d. h. die die Abbauprozesse vollziehenden Mikroorganismen blieben bisher weitgehend unberücksichtigt, außer im oben genannten PAQUES-Verfahren, wo im RUDAD-Reaktor Ciliaten und anaerobe Pilze die Feststoffe hydrolysieren sollen. Scherer untersuchte an einer BTA-Pilotanlage die hydrolytische Wirkung spezifischer Mikroorganismen (Scherer et al., Optimierung der Hydrolysestufe einer mehrstufigen Vergärungsanlage für organische Siedlungsabfälle durch Bilanzierung spezifischer Bakteriengruppen. - Wertstofferfassung und Biokompostierung 2 (J.J. Thom´ - Kozmiensky, P.A. Scherer, Hrsg.) - S. 273-298, EF-Verlag Berlin (1992).

Vergleicht man die bestehenden Anlagenkonzepte weiter, so fällt auf, daß bisher keine thermophile Hydrolyse in einem 2- oder mehrstufigen Verfahrenskonzept existiert, d. h. eine Prozeßtemperaturführung von 55°C und darüber für die erste Verfahrensstufe. Lediglich DE 41 20 808 gibt einen Hinweis einer anaeroben Feststoff-Hydrolyse im sauren Bereich bei meso- oder thermophiler Temperatur. Gerade in diesem Temperaturbereich aber gibt es potente hydrolysierend wirkende Bakterien, die einen hohen Abbau der nativ organischen Substanz erreichen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in die Verfahrenstechnik die Mikrobiologie - so die fakultativ anaeroben Bakterien - einbezogen, so daß sich aus dieser Kombination Vorteilswirkungen hinsichtlich des maximalen Abbaus der nativorganischen Substanz ergeben, die über den bisherigen Stand der Technik hinausgehen. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zwei- oder mehrstufiges Verfahren so zu gestalten, daß ohne komplizierten maschinen- und steuerungstechnischen Aufwand ein gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Feststoffabbau erzielt wird.

Der Einsatz von Chemikalien für die Hydrolyse ist nicht vorgesehen (DE 41 20 808). Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, durch gezielte Maßnahmen den für die genannten Verfahren der Naßgärung notwendigen Prozeßwassereinsatz zu minimieren und somit durch gezielte Einflußnahme die Überschußwassermenge erheblich zu reduzieren, ebenso den Schwefelwasserstoffgehalt des erzeugten Biogases.

Für den Einsatz des Biogases im Gasmotor-Generator-Aggregaten ist meist eine aufwendige Reinigung erforderlich. Die Dosierung von Luft zur Reduzierung des H₂S-Gehaltes in den Faulbehältern ist beschrieben (DE 33 35 265), muß aber aus sicherheitstechnischen Gründen vorbehaltlich gesehen werden.

Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine zwei- oder mehrstufige thermophile Prozeßführung gelöst.

In einer ersten Stufe im thermophilen Temperaturbereich wird die biologische Hydrolyse vorgenommen, wobei in diesem Temperaturbereich besonders wirksame hydrolytische Bakterien wirksam werden. Die Hydrolyse geschieht in einem geschlossenen Reaktor.

Durch Einbau eines geregelten oder auch ungeregelten Belüftungsaggregates, z. B. durch eine Redoxelektrode oder Sauerstoffelektrode geregelt, wird eine leichte Sauerstoffversorgung möglich, was zu einer wesentlichen Reduzierung der Ammonium- und Sulfatbelastung im Prozeßwasser führt und den möglichen Prozeßwasseranteil für die Kreislaufführung erhöht (Ammoniak hemmt den Prozeß) und damit die Oberschußwassermenge reduziert. Gleichzeitig wird durch diese Maßnahme der Schwefelwasserstoff­ anteil im Biogas der nachfolgenden Methanbildungsstufe wesentlich verringert.

Die hydrolysierte Biomüllmaische wird ohne Zwischenabtrennungs­ aggregat (alternativ mit Absetzbehälter) einem thermophilen Biogasreaktor zugeführt. Eine Besonderheit des Verfahrens besteht darin, daß dieser Reaktor mit 50-75°C betrieben werden kann, was die Substratinhibierung durch Neubildung von Milchsäure bzw. Propionsäure, wie sie in konventionellen Biogasreaktoren auftreten kann, umgeht. Dies liegt daran, daß Milchsäurebildner bei hohen Temperaturen nicht lebensfähig sind. Der Ablauf des Biogasreaktors wird nach bekannten Verfahren der Fest-flüssig-Trennung aufgearbeitet und der überwiegende Teil der flüssigen Phase in den Prozeß als Einmaischflüssigkeit für die der biologischen Behandlung vorgeschaltenen mechanischen Stofflösung eingesetzt.

Durch Berücksichtigung der am Abbau beteiligten Mikroorganismen insbesondere in der Temperaturführung wird sowohl für die Hydrolyse- als auch Methanstufe eine Verweilzeitverkürzung erreicht und durch das Ineinandergreifen der Verfahrensstufen eine optimale Gesamtkonfiguration.

Mit diesen Innovationen wird eine hohe Effizienz für das Verfahren erzielt. Gleichzeitig wird durch die hohen Prozeßtemperaturen eine gute Hygienisierung erreicht. Diese systemimmanente Hygienisierung von pathogenen Bakterien, die ihr Temperaturoptimum bei 37°C besitzen, erlaubt eine stabile an höchste Temperaturen anpaßbare Kultur von hydrolytischen und methanbildenden Bakterien, die damit eine Reinfektion der Gärreststoffe am Ende des Prozesses wirkungsvoll verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in folgenden näher beschrieben.

Das im Rahmen des Verfahrensbeispiels eingesetzte Substrat entstammt einem konventionellen Stofflöser, wie er in der Papierindustrie seit langem eingesetzt wird. Die vorgewärmte Biomüllmaische wird mittels Wärmetauscher auf 50-75°C erwärmt und anschließend im Hydrolysereaktor bei 50-75°C und mittleren hydraulischen Verweilzeiten von 3 Tagen biologisch aufgeschlossen. Stündlich wird für 5 Minuten das Belüftungsaggregat betrieben oder es wird über eine Redoxelektrode oder eine andere Meßsonde geregelt, z. B. eine sehr genaue Sauerstoffelektrode.

Anschließend erfolgt eine Nachtemperierung und Förderung in die Methanstufe, wo die aufgeschlossenen organischen Stoffe in Biogas umgesetzt werden, die Verweilzeit beträgt 5 Tage.

Nach Wärmetausch mit dem Input der ersten Stufe erfolgt die Abtrennung der Feststoffe über einen Preßschneckenseparator.

Claims (3)

1. Verfahren zur Vergärung von organischen Reststoffen, gewerblichen und anderen organischen Reststoffen in zwei oder mehr Stufen, gekennzeichnet dadurch, daß die Hydrolyse bei thermophiler Prozeßführung zwischen 50°C und 75°C und die Methanbildung ebenfalls thermophil betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe einer kurzen Zwischenbelüftung unterzogen wird, wobei ein Regler mit einer Meßsonde zum Einsatz kommen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mehr als 2 Stufen kaskadenartig hintereinander geschaltet haben kann, wobei zusätzliche Stufen als ungerührte Absetzbehälter ausgeführt sein können.