DE3102739A1

DE3102739A1 - "verfahren und vorrichtung zur anaeroben aufbereitung von abfall"

Info

Publication number: DE3102739A1
Application number: DE19813102739
Authority: DE
Inventors: Rolf August 8012 Ottobrunn Brand
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-01-28
Filing date: 1981-01-28
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE3102739C2; AT379170B; BR8200487A; ATA543281A; CH656641A5

Description

Verfahren und Vorrichtung zur anaeroben Aufbereitung von Abfall
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben Aufbereitung von organischen Materialien mit relativ hohem Molekulargewicht und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Insgesamt sind weltweit erhebliche Mengen von organischen Materialien, auch Abfall, vorhanden, die derzeit noch ungenutzt sind oder beseitigt werden müssen, die aber zur Erzeugung von Energie und Rohstoffen herangezogen werden können.
Bisher bekannt sind z.B. Methoden zur Behandlung von biochemischem Abfall durch Verbrennen, durch den aeroben oder anaeroben Abbau, durch Rückgewinnung oder durch Ablagern in das Meer. Abfälle und tierische Exkremente des landwirtschaftlichen Bereichs werden üblicherweise auf den Feldern ausgebracht. Es ist jedoch bekannt, daß durch diese Behandlungsformen eine sekundäre Umweltverschmutzung verursacht wird. Aufgrund von verschärften Bestimmungen hinsichtlich der Rückgewinnung bzw. Wiederverwendung und des Verbringens in das Meer hat sich in Teilbereichen das Verbrennungsverfahren weitgehend durchgesetzt. Dieses Verfahren ist jedoch von verschiedenen Problemen begleitet, wie die Behandlung des Rauchs, dem schlechten Geruch und den bei der Verbrennung gebildeten Aschen.
Biochemischer Abfall, wie Belitschlamm, ist bereits durch anaerobe Stabilisierungsverfahren behandelt worden. Es ist bekannt, daß die anaeroben Stabilisierungsverfahren einc Reaktionsfolge umfassen, die zwei Hauptreaktlonen einschlieSt.
Genauer gesagt umfassen sie eine "Säurefermentation", bei de die Molekulargewichte der organischen Substanzen in dem Abfall durch anaerobe Säure-Fermentations-Bakterien (Säurebildner oder Fäulnisbakterien) vermindert und die organischen Substanzen in niedermolekulare, organische Säuren, wie Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure, umgewandelt werden, und eine'!eths Fermentation", bei der die in dieser Weise gebildeten Säuren durch Methan-Fermentations-Bakterien (Methanbildner oder meta bildende Bakterien) in Methnngas + 002 umgewandelt werden.
Ublicherweise wird ein solches Verfahren in Einphasenreaktore durchgeführt, d.h. bei der üblichen Durchführung der anaerobe Stabilisierungsverfahren laufen beide Phasen, nämlich die Säurefermentation und die Methanfermentation im gleichen Reak tor in der gleichen physikalischen Umgebung nebeneinander ab.
Hierbei tritt aber die Gefahr der tbersäuerung auf, da die Säurebildung im Methanbereich erfolgt.
Um dies zu verhindern, hat man bereits auch vorgeschlagen, da gesamte Verfahren in zwei Stufen durchzuführen, indem man näm lich den Säurebereich räumlich vom Methanbereich trennt. Dies führt aber zur Erhöhung der H2-Konzentration im Säurereaktor, wodurch die Essigsäurebildung zum Erliegen kommt. (H2-Inhibition.) In der ersten Stufe werden nämlich aus den zuerst gebildeten Säuren schließlich insbesondere Essigsäure gebildet und die Essigsäure bildenden Bakterien sind gegen eine Uberkonzentration von H2 sehr empfindlich. Essigsäure, R2 und C02 ind jedoch Ausgangsprodukte der Methanbakterien für die Methan produktion, so daß bei einer Ubersäuerung die Methanproduktior auch zum Erliegen kommt.
Eine bekannte Form der Betriebsstörung, insbesondere beim einstufigen Methangärprozess ist das Absinken des pE-Werts unter eine für die Methanbakterien zulässige Grenze. Hauptursache dafür ist ein vergleichsweise zu schnelles Wachstum der Säurebakterien. Dies kann z.B. die Folge einer vorübergehenden Stoffwechselhemmung der Methanbakterien oder eines zu großen Eintrags an frischer Abfallmasse, d.h. Biomasse sein.
Einstufenverfahren (Säure-, Essigsäure- und Methanbildner befinden sich in einem Reaktorraum) neigen dabei zur eskalierenden Ubersäuerung. Das liegt daran, daß die säurebildenden Bakterien gegenüber äußeren Einflüssen relativ unempfindlich und von anderen Bakterien unabhängig sind, während die Essigsäure- und Methanbakterien aufeinander angewiesen und überaus empfindlich sind. Säure, d.h. die zuerst gebildeten Säuren, kann in Essigsäure bei Abwesenheit von Methanbakterien aufgrund der H2-Inhibition nur bis zu einer bestimmten H2-Konzentration abgebaut werden. Hat die Säureanreicherung erst begonnen, so hemmt diese zunehmend den Stoffwechsel der Methan bakterien, deren Teilungsrate zudem nur etwa 1/10 der der Säurebakterien beträgt. Durch den reduzierten Stoffwechsel der Methanbakterien wird weniger H2 abgebaut, wodurch die H2-Eonzentration im Substrat ansteigt. Dadurch wird der Stoffwechsel der Essigsäurebakterien gehemmt und kommt schließlich zum Erliegen. Die Essigsäure wird jedoch für den Metabolismus der Methanbakterien benötigt.
Nur, wenn der Vorgang der Ubersäuerung rechtzeitig erkannt wird, kann ein Umkippen (Ubersäuern) im Reaktor durch Abbrechen des Substrateintrags verhindert werden.
-Ein weiterer bekannter Nachteil des Einstufenverfahrens sind unterschiedliche Einflüsse des Substrats in den einzelnen Abbauphasen auf die unterschiedlichen Gruppen der Mikroorganismen. Es werden z.B. Inhibitoren mit dem Substrat eingetragen (02 als Inhibitor für Methanbakterien) oder diese entstehen während des Abbaus (H2 als Inhibitor für Essigsäurebakterien).
Außerdem können die optimalen physikalischen Lebensbedingungen, die sich bei den einzelnen Bakteriengruppen unterscheiden, beim Einstufenverfahren nicht berücksichtigt werden.
Diese beim Einstufenverfahren unvermeidlichen Nachteile begrenzen die theoretische Gasausbeute des Einstufenverfahrens auf 2 m3 Biogas (Methan + C02) pro m3 Faulraumvolumen, die unter optimalen Bedingungen erreichbar sind (normal sind 1 Biogas/m3 Faulraumvolumen).
Es wurde nun gefunden, daß durch die Trennung der einzelnen Abbauphasen, aber anders als in dem bisher bekannten Zweistufenverfahren, ein Vielfaches dieser Gasausbeute in einem einzigen Reaktor zu erreichen ist. Die Trennung der Säurephase von der Methanphase wird hierbei ermöglicht, aber es wird so vorgegangen, daß bei der Essigsäurebildung, bei der auch H2 und C02 entstehen, H2-zehrende Methanbakterien zur Verringerung des H2-Partialdrucks anwesend sind. Auf diese Weise wird eine Kontrolle des Säureeintrags in den Methanbereich des Reak tors ermöglicht und gleichzeitig die H2-Inhibition der acetogenen Bakterien vermieden. Dadurch wird der Prozessablauf zuverlässig und die Abbaurate gesteigert.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur anaeroben kufbereitung von Abfall, der organische Materialien mit relativ hohem Molekulargewicht enthält, bei dem in einem Reaktorraum die hochmolekularen, organischen Materialien durch Säurebakterien in organischen Materialien mit niederem Molekulargewich und diese in niedere, organische Säuren und unter Bildung von E2 und C02 in Essigsäureübergeführt werden, und dann die entstehenden Substanzen durch methanbildende Bakterien in C02 und CH4 übergeführt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Reaktorraum eine Aufteilung von Säurephase und Methanphase im umgekehrten Verhältnis zu den Abbauraten der Prozeßstufen zu Säure- + Essigsäurebildung/Methanbildung, vorzugsweise von etw 1:10 erfolgt, wobei in dem abgeteilten Raum für die Säurephase die abgebauten Produkte (im wesentlichen Essigsäure, H2 und C02) nach unten sinken und durch eine offene Verbindung in den Fermentationsraum für die Methanbildung gelangen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei wesentlic ist, daß der Reaktorraum in auf bestimmte miteinander verbundene und im umgekehrten Verhältnis zur Abbaureaktion unterschiedliche große Fermentationsräume aufgeteilt ist. Weiterhin ist der methanbildende Bereich des Reaktors mit einer Linrichtung versehen, die es erlaubt, Substrat aus allen Teilen diese Bereiches auszutragen oder in alle Teile dieses Bereiches einzutragen.
Drei Ausführungsformen eines solchen Reaktors sollen nun anhand der Figuren 1, 2 und 3 geschildert werden.
Normalerweise wird der Reaktor folgendermaßen betrieben: Biomasse (Polymere, wie Kohlehydrate, Fette, Eiweiß), die auf die optimale Temperatur (etwa 300C ) der 1. Abbaustufe (f ermentative Stufe) gebracht wurde, wird oben über die Einlaßleitung (1) in den Fermentationsraum (4) eingetragen, in dem die Polymeren in Monomere und danach im wesentlichen in Fettsäure, C02 und H2 abgebaut werden. Während dieses tbbauprozesses sinken die Abbauprodukte dieser Stufen in den nach unten offenen Teil (5) dieses Fermentationsraums im Übergang zu dem Boden des Reaktors und nehmen etwa die Temperatur des methanbildenden Bereiches an (etwa 350C ). Da, wie gesagt, der Fermentationsraum bei (5) unten offen ist, wird auf diese Weise der Eintritt der abgesunkenen Abbauprodukte dieser Stufen (im wesentlichen Essigsäure, H2 und C02) in den Fermentationsraum (6) ermöglicht, indem die Methanbildung erfolgt.
In diesem Raum entstehen Methan und C02, also Biogas, das am Reaktordom durch die Leitung (2) ausgetragen wird. Nach der Methangärung abgebautes Substrat kann aus allen Bereichen des Reaktors mittels der schwenkbaren Austragleitungen (3) ausgetragen werden.
Die Aufteilung des Reaktorraums in Fermentationsräume kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden. Wesentlich ist dabei nur, daß die Volumina im umgekehrten Verhältnis zu den Abbauraten der Prozesstufen Säure + Essigsäurebildung/Methanbildung stehen. Dieses umgekehrte Verhältnis beträgt normalerweise 1/10.
Beispiele für die Möglichkeiten der Aufteilung des Reaktorraums in die betreffenden Fermentationsräume sind in den Figuren 1, 2 und 3 angegeben.
In Fig. 1 findet die Säuregärung in einem Ringraum (4) statt, wie dies auch der Querschnitt an der Stelle AA zeigt, der nach unten offen ist, so daß die abgesunkenen Produkte, die im wesentlichen aus Essigsäure, C02 und H2 bestehen, in Berührung mit der Methanbildungszone (6) kommen, die von dem Ringraum umgeben wird. Diesen Methanbildungsraum bestreicht eine Auslaßleitung (3), die zum Austragen der abgebauten Biomasse aus allen Bereichen bestimmt ist.
In Fig. 2 sind verschiedene röhrenförmig ausgebildete Fermentationsräume in dem übrigen Reaktorraum vorgesehen, in der die Säurebildung stattfindet. Dies ist auch gut aus dem gleichfalls in Fig. 2 aufgeführten Schnitt AA durch den Reaktorraum zu ersehen. Diese röhrenförmigen Fermentationsräume stehen bei (5) in offener Verbindung mit dem Boden des Reaktorraums, so daß die abgesunkenen Produkte, insbesondere Essigsäure, H2 und C02,in Berührung mit dem übrigen methanbildenden Bereich stehen. Zum Austrag der abgebauten Biomasse aus allen Reaktorbereichen ist wiederum eine schwenkbare Auslaßleitung (3) vorgesehen.
In Fig. 3 ist enn Einzelabteil (4), das mit Einlaßleitungen (1 versehen ist, vorgesehen, in dem die Säurebildung bei (5) stattfindet und über diesen Abschnitt (5) mit demübrigen Reaktorraum (6) in Verbindung steht. Dieser Reaktorraum (6) ist nach oben hin offen und von einer warmeisolierenden Biogas-Speicherfolie (7) überwölbt, unter der sich das entstandene Biogas (2) sammelt.
Für die durch die Figuren dargestellten Ausführungsformen gilt natürlich die oben angegebene Bedingung, daß die Volumina im umgekehrten Verhältnis zu den Abbauraten der Prozeßstufen Säure- + Essigsäurebildung/Methanbildung stehen soll. Dieses umgekehrte Verhältnis beträgt normalerweise 1/10.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur anaeroben Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, auch von Abfall, bestehend aus organischen Materialien mit relativ hohem Molekulargewicht, bei dem in einem Reaktorraum die hochmolekularen organischen Materialien durch Bakterienstämme in organische Materialien mit niedrigem Molekulargewicht und diese in niedere organische Säuren und unter Bildung von H2 und C02 in Essigsäure übergeführt werden und dann die entstehenden Substanzen durch methanbildende Bakterien in CH4 und C02 umgewandelt werden, d a d u r c h g e k e n.n z e i c h n e t, daß in dem Reaktorraum eine Aufteilung von Säurephase und Methanphase in umgekehrtem Verhältnis zu den Abbauraten der Prozeßstufen Säure plus Essigsäurebildung/Methanbildung vorzugsweise von etwa 1 : 10 erfolgt, wobei in dem abgeteilten Raum für die Säurephase die abgebauten Produkte (im wesentlichen Essigsäure, H2 und C02) nach unten sinken und durch eine offene Verbindung in den Bermentationsraum für die Methanbildung gelangen.
2. Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einlaßleitungen (1) für die zu behandelnde organische Substanz, Bereiche (4) für die Behandlung der Biomasse mit säurebildenden Bakterien unter Einschluß eines unterhalb liegenden Bereichs (5) für die Essigsäurebildung, einem damit in offener Verbindung stehenden Bereich (6) für dis Methanbildung, wobei das Verhältnis des säure- bzw. essigsäurebildenden Bereichs zu dem methanbildenden Bereich bei etwa 1 : 10 liegt, einem Gasaustritt (2) und einem aus allen Reaktor bereichen möglichen Austrag (3) für den Rest der ganz oder teilweise abgebauten Biomasse.
3. Bioreaktor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß an der Außenseite ein Ringraum (4) angeordnet ist, der mit den Einlaßleitungen (1) verbunden ist, in dem die Säurebildung stattfindet, dieser Ringraum nach unten in einen Bodenraum (5) einmündet, in dem die Essigsäurebildung stattfindet und der nach oben in offener Verbindung mit einem zentralen Raum (6) steht, der nach außen hin von dem Ringraum (4) umgeben ist und in dem die Methanbildung stattfindet.
4. Bioreaktor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in ihm mehrere röhrenförmige, mit den Einlaßleitungen (1) verbundene Einzelabteile (4) angeordnet sind, in denen die Säurebildung stattfindet und die nach unten offen sind, wo in dem Bodenraum (5) die Essigsäurebildung stattfindet, und so über diesen Bodenraum (5) mit dem übrigen, nach oben hin sich erstreckenden Freiraum (6) des Reaktors verbunden sind, in dem die Methanbildung stattfindet.
5. Bioreaktor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in ihm ein mit der Einlaßleitung (1) verbundenes Einzelabteil (4) angeordnet ist, in dem die Säurebildung stattfindet und das nach unten offen ist, wo in dem Bodenraum (5) die Essigsäurebildung stattfindet, und so über diesen Bodenraum (5) mit dem übrigen, nach oben hin sich erstreckenden Freftauai (6) des Reaktors verbunden ist, in dem die'Methanbildung stattfindet, und bei dem sich eine wärmeisolierte Biogas-Speicherfolie (7) über den gesamten, oben geöffneten Bioreaktor spannt und so ein Gas speicher für die entstehenden Biogase (2) entsteht.