DE19833776C2

DE19833776C2 - Verfahren zum Behandeln von biologischem Abfall durch Vergären

Info

Publication number: DE19833776C2
Application number: DE19833776A
Authority: DE
Inventors: Martin Faulstich; Peter A Wilderer; Oliver Christ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: DE19833776A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Behandeln von biologischem Abfall durch Vergären in einem zweistufigen thermophil-mesophilen Gärprozess beschrieben, bei dem Chargen des Abfalls mit Wasser gemischt werden, die zunächst in einen thermophilen Gärreaktor (5) und anschließend in einen mesophilen Reaktor (6) aufgegeben werden, wobei den Reaktoren bei der Gärung entstehendes Gas kontinuierlich abgezogen und einer thermischen Nutzung zugeführt wird. Das Verfahren wird dadurch weiterentwickelt, dass beim Betrieb des thermophilen Reaktors (5) periodische Hygienisierungsintervalle von mindestens 12 Stunden einghalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von bio logischem Abfall durch Vergären in einem zweistufigen ther mophil-mesophilen Gärprozeß, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Ein Verfahren dieser Art ist in einem Aufsatz "The TherMes- Process" von O. Christ, P. Wilderer und M. Faulstich im "6th Bay Forrest Report 1997", Herausgeber P. A. Wilderer, Bayerischer Forschungsverband Abfallforschung und Rest stoffverwertung, D-85748 Garching, im Detail beschrieben. Auf diese Veröffentlichung wird zur Ergänzung der Offen barung der vorliegenden Anmeldung ausdrücklich Bezug genommen.

Ein älterer Vorschlag für einen zweistufigen thermophil- mesophilen Gärprozeß ist in DE 30 42 883 A1 beschrieben.

Insbesondere zur Behandlung von Bio- und Küchenabfällen hat die Vergärungstechnik gegenüber der Kompostierung wesent liche Vorteile, insbesondere die weitgehende Unabhängigkeit von der Qualität der zu behandelnden Abfälle sowie die kompakte Bauart der Reaktoren, die Geruchsfreiheit und der energieautarke Anlagenbetrieb. Vergärung kann thermophil bei einem Temperaturoptimum von 55°C oder mesophil bei einem Temperaturoptimum von 35°C durchgeführt werden, wobei beide Verfahren spezifische Eigenschaften und Vorteile haben. Durch die Vereinigung beider Verfahren zu einem zweistufigen thermophil-mesophilen Gärprozeß ergibt sich eine markante und überraschende Leistungssteigerung des Verfahrens, die sich insbesondere in einer ganz wesent lichen Steigerung der Abbauleistung und der Gasproduktion zeigt.

Eine wichtige Forderung bei der Abfallbehandlung durch Vergären ist eine ausreichende Hygienisierung des Abfalls, d. h. die Abtötung oder zumindest Passivierung der im Abfall enthaltenen, möglicherweise gesundheitsgefährdenden Mikroorganismen. Dies erfordert, daß jede Volumeneinheit des Abfalls während einer ausreichend bemessenen Zeitspanne auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten wird. Diese Temperatur von ca. 55°C wird im thermophilen Reaktor, d. h. der ersten Vergärungsstufe bereitgestellt. Es muß deshalb dafür gesorgt werden, daß jede Volumeneinheit des in den thermophilen Reaktor aufgegebenen Abfalls diesen Reaktor nicht vor Ablauf einer ausreichenden Hygienisierungszeit verlassen kann. Andererseits muß die Beschickung des ther mophilen Reaktors an die üblicherweise über einen Arbeits tag verteilte Anlieferung von frischem Abfall angepaßt werden, und ferner muß dafür gesorgt werden, daß Betriebs störungen das Ziel einer ausreichenden Hygienisierung des Abfalls nicht gefährden können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren der genannten Art eine an die über den Arbeitstag verteilte Anlieferung des Abfalls angepaßte Betriebsführung anzugeben, die eine ausreichende Hygienisierung des Abfalls gewährleistet und gegen Betriebsstörungen unempfindlich ist.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Ver fahrensschritte gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Verfahrens.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in periodisch wiederkehrenden, vorzugsweise täglich wiederkehrenden Hygienisierungsintervallen, von denen jedes mindestens zwölf Stunden dauert, jeder Austausch von Suspension im thermophilen Reaktor unterbunden. Nach jedem Hygienisie rungsintervall erfolgt zunächst die Überführung einer der Tagesmenge von frischem Abfall entsprechenden Suspensions menge aus dem thermophilen in den mesophilen Reaktor, und erst danach wird mit der erneuten Beschickung des thermo philen Reaktors mit frischer Abfallsuspension begonnen. Damit ist gewährleistet, daß die aus dem thermophilen Reak tor entnommene, ausreichend hygienisierte Suspension zu keinem Zeitpunkt mit Abfall kontaminiert werden kann, der nicht die erforderliche Verweilzeit im thermophilen Reaktor hatte.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen anhand der Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Fließschema einer zweistufigen Vergärungs anlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Arbeitsphasen der verschie denen Stufen der Anlage gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Fließschema entsprechend Fig. 1 für eine ab geänderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 4 ein Fließschema entsprechend Fig. 1 für eine wei tere abgeänderte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens.

Gemäß Fig. 1 wird beim Betrieb der zweistufigen Vergärungs anlage frischer Bioabfall auf einem Förderweg 8 zu einer Aufbereitungsstufe 1 zugeführt. Es handelt sich in der Regel um Bioabfall aus Haushalten oder Großküchenbetrieben wie Gaststätten oder Kantinen. Dieser Abfall wird von einem Entsorgungsbetrieb eingesammelt und, in der Regel über den Arbeitstag verteilt, angeliefert und in einem Bunker (nicht dargestellt) abgeladen, von dem aus er über den Förderweg 8 der Aufbereitung 1 zugeführt wird. Hier wird der Bioabfall zerkleinert und ggf. werden für die Vergärung ungeeignete Bestandteile (Metall, Plastik, Steine und dgl.) abgetrennt. Der zerkleinerte Bioabfall wird über den Förderweg 9 in ein Suspendierungsaggregat 2 gegeben. Dort wird der Abfall durch Zugabe von Frischwasser über die Leitung 21 und/oder von Prozeßwasser über die Leitung 24 suspendiert, vorzugsweise auf einen Feststoffgehalt zwischen 10 und 12% Trockenrückstand.

Die so entstandene frische Suspension wird über die Leitung 11 einem Suspensionsspeicher 4 zugeführt, in dem die Sus pension während einiger Stunden gelagert werden kann und dabei umgewälzt wird. Aus dem Suspensionsspeicher 4 kann Suspension über die Leitung 12 in den thermophilen Reaktor 5 aufgegeben werden. In diesem erfolgt eine Vergärung des Abfalls bei einer Tempertur, die z. B. 52-60°C betragen kann und optimal 55°C beträgt. Bei der Vergärung entsteht ein hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid bestehendes Biogas, das über die Leitung 31 abgezogen wird.

Nach ausreichender Verweilzeit im thermophilen Reaktor 5 gelangt die Abfallsuspension über die Leitung 13 in den mesophilen Reaktor 6, in welchem eine Vergärung bei einer Temperatur im Bereich von 30°C bis 40°C, vorzugsweise etwa 35°C, erfolgt. Das Volumen des mesophilen Reakors 6 ist so bemessen, daß die Verweilzeit der Suspension das 2- bis 6- fache, vorzugsweise ca. das 3-fache der Verweilzeit im thermophilen Reaktor 5 betragen kann. Auch im mesophilen Reaktor 6 entsteht durch die Vergärung Biogas, das über die Leitung 32 abgezogen und mit dem Biogas aus dem thermo philen Reaktor 5 in der gemeinsamen Leitung 33 vereinigt wird. Dieses an Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Methan-reiche Biogas, kann einer thermischen Verwertung zu geführt werden, vorzugsweise an Ort und Stelle durch Ver brennen in einem angeschlossenen Blockheizkraftwerk (nicht dargestellt).

Aus dem mesophilen Reaktor 6 wird die behandelte Suspension über eine Leitung 14 abgezogen und einer Entwässerungsstufe 7 zugeführt. Hier erfolgt eine Entwässerung mittels einer an sich bekannten Entwässerungseinrichtung, z. B. einem Dekanter, einer Bandfilter- oder einer Kammerfilter-Presse oder dergleichen. Die Entwässerung erfolgt vorzugsweise bis auf einen Feststoffgehalt von etwa 30% Trockenrückstand. Der verbleibende Feststoffrückstand hat eine kompostartige Substanz und kann unmittelbar oder nach einer Nachrotte als Kompost verwertet werden. Das bei der Entwässerung ent stehende Abwasser wird über die Leitung 22 einer Abwas serreinigung 3 zugeführt.

Das gereinigte Abwasser kann als Prozeßwasser über die Leitung 24 in die Suspendierstufe 2 zurückgeführt werden; Überschußwasser kann über die Leitung 23 der Kanalisation oder einem Vorfluter zugeführt werden.

Der für die Erfindung wesentliche zeitliche Ablauf der Betriebsphasen der einzelnen Stufen des Vergärungsver fahrens gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 schematisch angegeben. Die Abszissenachse stellt den Zeitraum von 24 Stunden jeweils ab dem Betriebsbeginn jedes Arbeitstages dar.

In der Suspendierungsstufe 2 erfolgt ab Betriebsbeginn innerhalb einer Arbeitsschicht von acht Stunden ständig oder zeitweise das Aufbereiten der Suspension. Während der ersten vier Betriebstunden, oder eines Teils dieser Zeit, wird aufbereitete Suspension im Suspensionsspeicher 4 ge lagert und umgewälzt. Ebenfalls innerhalb der ersten vier Betriebsstunden wird Suspension über die Leitung 13 aus dem thermophilen Reaktor 5 in den mesophilen Reaktor 6 gepumpt, und zwar in so ausreichender Menge, daß im thermophilen Reaktor 5 Platz für die Aufnahme einer durchschnittlichen Tagesmenge an frischer Suspension geschaffen wird. Es ver steht sich, daß das Volumen des mesophilen Reaktors 6 so bemessen ist, daß es jederzeit ein Puffervolumen für eine entsprechende Suspensionsmenge zur Verfügung stellt.

Nach Ablauf von vier Stunden ab Betriebsbeginn wird die Entnahme von Suspension aus dem thermophilen Reaktor 5 und ihre Überführung über die Leitung 13 in den mesophilen Re aktor 6 beendet, d. h. die Leitung 13 wird abgesperrt. Erst danach wird die Leitung 12 geöffnet und es erfolgt die Zu führung von frischer Suspension aus dem Suspensionsspeicher 4 in den thermophilen Reaktor 5. Diese Zuführung hält wäh rend der zweiten vier Betriebsstunden, d. h. während der 5.-8. Betriebsstunde, oder eines Teils dieser Zeit, an und wird dann beendet.

Innerhalb der acht Betriebsstunden der täglichen Arbeits schicht erfolgt ständig oder zeitweise die Entnahme von fertig behandelter Suspension aus dem mesophilen Reaktor 6 über die Leitung 14 und ihre Entwässerung in der Entwäs serungsstufe 7.

Nach Beendigung der achtstündigen Arbeitsschicht und vor Betriebsbeginn des nächsten Arbeitstages verbleiben bei diesem Beispiel 16 Stunden, im allgemeinen Fall mindestens 12 Stunden, in denen im thermophilen Reaktor 5, bei ge schlossener Zuführleitung 12 und Abführleitung 13, eine Hygienisierung der Abfallsuspension, d. h. eine Eliminierung oder Passivierung von ggf. gesundheitsschädlichen Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzsporen, er folgen kann. Es ist sichergestellt, daß jedes Partikel des Abfalls mindestens einmal das mindestens 12-stündige Hygienisierungsintervall im thermophilen Reaktor 5 durch läuft.

Fig. 3 zeigt das Fließschema für eine abgeänderte Aus führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnen gleiche Elemente, die im folgenden nicht erneut beschrieben werden. Abwei chend von Fig. 1 ist der das Biogas aus dem thermophilen Reaktor 5 abführenden Gasleitung 31 ein Meßgerät 41 zuge ordnet, welches laufend die Menge und/oder die Zusammen setzung, z. B. den Methangehalt, des aus dem thermophilen Reaktor 5 entnommenen Biogases ermittelt. Das Meßsignal wird ständig einem Überwachungs- und Steuergerät 43 zuge führt, welches erkennt, ob die Gaserzeugungsrate und/oder die Zusammensetzung dem Normalbetrieb entsprechen, oder ob eine anomale Änderung der Gasmenge und/oder Gaszusammen setzung vorliegt, die eine Störung des Betriebes des ther mophilen Reaktors 5 anzeigt.

Im Falle einer Störung steuert das Steuergerät 43 ein Um steuerventil 45 in der Zuführleitung 12 des thermophilen Reaktors 5 derart, daß die Suspension aus dem Suspensions speicher nicht mehr dem thermophilen Reaktor 5, sondern über eine Umgehungsleitung 47 direkt der mesophilen Stufe 6 zugeführt wird. Die in die mesophile Stufe 6 gelangende Suspension ist somit nicht hygienisiert. Sie wird vorzugs weise nach verkürzter Aufenthaltszeit im mesophilen Reaktor 6, die z. B. durch das Umschaltgerät 43 steuerbar sein, über die Leitung 14 abgezogen und dem Entwässerungsaggregat 7 zugeführt und in diesem entwässert. Das entwässerte Pro dukt wird anschließend auf dem Betriebsgelände z. B. in Form einer aufgeschütteten Miete - bei Bedarf unter Zumischung von Strukturmaterialien - nachkompostiert. Durch die verkürzte Verweilzeit im mesophilen Reaktor 6 ergibt sich eine geringere Stabilisierung des Materials, was zur Folge hat, daß während der Nachkompostierung ausreichend hohe Temperaturen zur Hygienisierung erreicht werden.

Sollten insbesondere bei geringen Abfallmengen und entspre chend längerer Verweilzeit im mesophilen Reaktor 6, die bei der Nachkompostierung auftretenden Temperaturen für die Hygienisierung nicht ausreichend hoch sein, so muß das ent wässerte Material vor oder nach der Kompostierung zwischen gespeichert werden, so daß es nach Behebung der Störung und Wiederinbetriebnahme des thermophilen Reaktors 5 diesem zu geführt werden kann. Zur Zwischenspeicherung kann ein bei 49 angedeuteter Zwischenspeicher dienen, in vielen Fällen kann die Zwischenspeicherung aber auch auf einer offenen oder überdachten Fläche des Betriebsgeländes erfolgen, da das Material durch die Nachkompostierung bereits stabili siert und damit weitestgehend geruchsfrei ist, so daß kein gesonderter Speicherbehälter benötigt wird.

Wenn die Störung behoben ist und der thermophile Reaktor 5 wieder in Betrieb geht, bleibt die Verbindungsleitung 13 zum mesophilen Reaktor 6 zunächst geschlossen. Während der anlieferungsfreien Betriebszeiten, z. B. abends oder an Wo chenenden, wird der komplette Inhalt des mesophilen Reak tors 6 über das Entwässerungsaggregat 7 entleert, entwäs sert und dann nachkompostiert oder zwischengespeichert. Nach vollständiger Entleerung wird der mesophile Reaktor 6 dann wieder in Betrieb genommen und mit 35°C warmen Wasser und dem Ablauf des thermophilen Reaktors 5 beschickt. Das zwischengespeicherte, nicht hygienisierte Material wird dann sukzessive dem frischen Bioabfallstrom zugegeben. Anschließend geht die gesamte Anlage in den Normalbetrieb über.

Fig. 4 ist das Fließschema einer weiteren abgeänderten Aus führungsform der Erfindung. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 gleiche Anlagenteile, die nicht nochmals erläutert werden. In Abweichung von Fig. 1 ist der Suspensionsspeicher 4 mit einem Wärmetauscher 36, z. B. in Form einer Rohrschlange, versehen, der durch eine Zuström leitung 35 mit dem thermophilen Reaktor 5 und durch eine Abströmleitung 37 mit dem mesophilen Reaktor 6 verbunden ist. Beim Betrieb der Anlage gemäß Fig. 4 entsprechend dem Zeitschema von Fig. 2 wird während der ersten vier Be triebsstunden, oder eines Teils davon, die in der Suspen dierstufe 2 erzeugte Suspension im Suspensionsspeicher 4 gelagert und umgewälzt. Ebenfalls innerhalb dieser Zeit wird Suspension aus dem thermophilen Reaktor 5 über den Wärmetauscher 36 in den mesophilen Reaktor 6 gepumpt. Die Temperatur der Suspension wird dabei von 55°C, beim Austritt aus dem thermophilen Reaktor 5 auf ca. 38°C beim Eintritt in den mesophilen Reaktor 6 gesenkt. Gleichzeitig wird durch den Wärmetausch die Temperatur der im Suspen sionsspeicher 4 gespeicherten und umgewälzten Suspension erhöht. Um den Vorteil dieses Verfahrens auszunützen, ist sicherzustellen, daß mindestens eine Suspensionscharge vom Vortag im Speicher 4 gelagert wird. In der Zeit von der 5.-8. Betriebsstunde wird ständig oder zeitweise die be reits vorgewärmte Suspension aus dem Speicher 4 ständig oder zeitweise in den thermophilen Reaktor 5 geleitet.

Die in der Beschreibung und in Fig. 2 angegebenen Stunden zahlen für die einzelnen Betriebsphasen sind nur als Bei spiele zu verstehen und können im Rahmen der Erfindung ab geändert werden, insbesondere in Anpassung an eine andere als eine achtstündige Betriebsschicht pro Arbeitstag. Auch ist Fig. 2 nicht so zu verstehen, daß die einzelnen Be triebsvorgänge kontinuierlich während des gesamten zuge ordneten Zeitintervalls stattfinden müßten. Jeder Betriebs vorgang kann auch nur während einer oder mehrerer Teilintervalle innerhalb des jeweils angegebenen, maximal zu lässigen Zeitintervalls stattfinden. Wesentlich ist in jedem Fall, daß die Zeitspanne für das Hygienisieren im thermophilen Reaktor 5, während der jede Suspensionszufuhr und -abfuhr zum bzw. vom thermophilen Reaktor 5 gesperrt ist, mindestens zwölf Stunden beträgt.

Claims

1. Verfahren zum Behandeln von biologischem Abfall durch Vergären in einem zweistufigen thermophil-mesophilen Gärprozess, mit den Schritten:

a) Mischen von Chargen des Abfalls mit Wasser zur Herstellung von Chargen einer pump- und rührfähigen Suspension des Abfalls;
b) aufeinanderfolgendes Aufgeben der Suspensionschargen in einem thermophilen Gärreaktor (5) und Behandeln der Suspension in dem thermophil, anaerob betriebenen Reaktor bei einer Temperatur im Bereich von 52°C bis 60°C, vorzugsweise bei ca. 55°C, mit einer mittleren Verweilzeit in dem thermophilen Reaktor von 3 bis 8 Tagen, vorzugsweise 5 Tagen;
c) Überführen von Suspension aus dem thermophil, anaerob beriebenen Reaktor (5) in einen nachgeschalteten mesophil, anaerob betriebenen Reaktor (6) und Behandeln der Suspension in dem mesophilen Reaktor bei einer Temperatur im Bereich von 30°C bis 40°C, vorzugsweise etwa 35°C, mit einer mittleren Verweilzeit, die das drei- bis achtfache, vorzugsweise ca. das dreifache der Verweilzeit im thermophil, anaerob betriebenen Reaktor beträgt unter Bildung von methanreichem Biogas;
d) Entnahme von behandelter Suspension aus dem mesophilen Reaktor und Entwässern der Suspension mittels einer Entwässerungseinrichtung (7) zur Gewinnung von entwässertem Restprodukt und Filtrat,

wobei im thermophilen Reaktor (5) und im mesophilen Reaktor (6) bei der Gärung entstehendes Gas kontinuierlich abgezogen und einer thermischen Nutzung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des thermophilen Reaktors (5) periodische Hygienisierungsintervalle von mindestens 12 Stunden eingehalten werden, in denen weder eine Beschickung mit frischer Suspension noch eine Entnahme aus dem thermophilen Reaktor erfolgt,
dass nach jedem Hygienisierungsintervall eine Entnahmemenge von Suspension aus dem thermophilen Reaktor entnommen und in den mesophilen Reaktor überführt wird, die der bis zum nächsten Hygienisierungsintervall erwarteten Zuführmenge von frischen Suspensionschargen zum thermophilen Reaktor entspricht,
dass erst nach Beendigung der Entnahme dieser Entnahmemenge mit der erneuten Beschickung des thermophilen Reaktors mit frischer Suspension begonnen wird,
und dass der Abzug von behandelter Suspension aus dem mesophilen Reaktor (6) so gesteuert wird, dass dieser jeweils zum Zeitpunkt der Entnahme aus dem thermophilen Reaktor (5) ein für die Aufnahme der Entnahmemenge aus dem thermophilen Reaktor ausreichendes freies Volumen hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und/oder Zusammensetzung des im thermophilen Reaktor erzeugten Gases laufend überwacht wird, dass bei einer eine Störung anzeigenden Änderung der Gasmenge und/oder Zusammensetzung der thermophile Reaktor abgeschaltet und die frische Suspension unter Umgehung des thermophilen Reaktors direkt in den mesophilen Reaktor aufgegeben wird, bis die Störung behoben ist und der thermophile Reaktor wieder in Betrieb gesetzt wird und dass während der Abschaltung des thermophilen Reaktors und während einer auf dessen Wiederinbetriebnahme folgenden Sicherheitszeit das aus dem mesophilen Reaktor (6) abgezogene Produkt zwischengelagert und dann in den thermophilen Reaktor (5) zu einer erneuten Behandlung aufgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem thermophilen Reaktor zugeführte frische Suspension durch Wärmetausch mit aus dem thermophilen Reaktor entnommener Suspension vorgewärmt wird.