DE3326879C2

DE3326879C2 - Biogasreaktor

Info

Publication number: DE3326879C2
Application number: DE3326879A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. 8047 Karlsfeld Märkl
Original assignee: Individual
Current assignee: MAERKL, HERBERT, DR.-ING., 2105 SEEVETAL, DE
Priority date: 1983-07-26
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3326879A1

Abstract

Mit aktiver Biomasse gefüllter Biogasreaktor, dessen Gehäuse oben durch mindestens einen kegel- oder prismaförmigen Doppeltrichter abgeschlossen ist. Der Doppeltrichter besteht aus zwei ineinander geschachtelten, gleichgeformten Einzeltrichtern, von denen nur der äußere Trichter oben eine schmale Öffnung aufweist, wogegen der innere Trichter oben geschlossen ist und als Gas-Sammelraum dient. Der Zwischenraum zwischen den beiden Trichtern dient zur Weiterleitung der aus der Gas-Suspension aufsteigenden Gase zum nächsten Doppeltrichter, von denen mindestens zwei mit Abstand voneinander übereinander in dem Reaktorgehäuse angeordnet sind.

Description

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dadurch gekennzeichnet,

— daß die beiden jeweils einen Doppeltrichter bildenden Trichter (2, 3) formgleich und ineinander angeordnet sind,

— daß der Innen-Trichter (3) oben geschlossen und somit der Gas-Sammelraum (7) ist,

— und daß in dem Gehäuse (1) mindestens zwei Doppeltrichter in einem Abstand übereinander angeordnet sind.

2. Biogasreaktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei prisma-förmige Doppeltrichter übereinander angeordnet sind (F ig. 2).

3. Biogasreaktor nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (9) des Außen-Trichters (2) gegenüber denen des Innen-Trichters (3) so weit vorgezogen sind, daß die bei voller Füllung des Gas-Sammelraumes (7) über die Kanten

(8) des Innen-Trichters (3) überlaufenden Gase von dem Außen-Trichter (2) aufgefangen werden und durch den Zwischenraum (10) zwischen den beiden Trichtern nach oben zu einem offenen Rohrausgang (11) geleitet werden.

4. Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrausgang (11) des Außen-Trichters (2) derart ausgebildet ist, daß die aus ihm ausströmenden Gase in den Gas-Sammelraum des darüber angeordneten Doppeltrichters gelangen.

5. Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppeltrichter von einem Rohr (42 in Fig.6) getragen sind, das in radialer Richtung öffnungen (43) aufweist und in axialer Richtung am Scheitel jedes Innen-Trichters (44) verschlossen ist, und daß mindestens eine Öffnung (45) im Gas-Sammelraum (7) und eine Öffnung (43) im Trichter-Zwischenraum (10) vorhanden ist.

6. Biogasreaktor nacit den Patentansprüchen 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Innenwand des Biogasreaktorgehäuses (1) und durch die Außenwand jedes Außen-Trichters (2) ein gasblasen-armer Sedimentationsraum (13) gebildet ist, in dem die aktiven Biomasse-Schlammteilchen sedimentieren können.

7. Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenwand des Biogasreaktorgehäuses (1) und der Kante

(9) des Außen-Trichters (2) eine solche Spaltöffnung

(14) vorgesehen ist, daß die im Sedimentationsraum (13) abgesetzten Schlammteilchen durch diese Spaltöffnung in den darunterliegenden Raum gelangen.

8. Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß nahe unterhalb dsr Spaltöffnung (14) an der Gehäuse-Innenwand ein Leitring (15) vorgesehen ist, der die aus der Gärsuspension aufsteigenden Gasblasen (5) am Eintreten in die Spaltöffnung (14) hindert und in Richtung des zugehörigen Doppeltrichters leitet.

9. Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Biogasreaktoren mit mehreren übereinander angeordneten Doppeltrichtern bei einigen dieser Doppeltrichter in den Gas-Sammelräumen Öffnungen (47) von Leitungen vorgesehen sind, die das Abführen von Gasmengen ermöglichen (F i g. A).

10. Biogasreaktor nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den das Abführen von Gasmengen ermöglichenden Leitungen Drosselorgane (37) vorgesehen sind, die den abfließenden Gasstrom so begrenzen, daß er kleiner ist als die tatsächlich erzeugte Gasmenge.

11. Biogasreaklor nach den Patentansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Biogasreaktoren mit mehreren übereinander angeordneten Doppelinchtern der gegenseitige Abstand der Doppeltrichter bei höherer volumenbezogener Gasbildungsrate kleiner ist als bei geringer Gasbildungsrate (F ig. 4).

12. Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sedimentationsräumen Böden (41 in F i g. 5) vorgesehen sind, die für von unten nach oben strömende Gas und Flüssigkeiten durchlässig sind, jedoch die sedimentierten Schlammteilchen am Durchtritt nach unten hindern.

Die Erfindung betrifft einen Biogasreaktor, dessen Gehäuse ganz oder teilweise mit aktiver Biomasse gefüllt und oben durch mindestens einen Doppeltrichter abgeschlossen ist, — der aus zwei in ihren Abmessungen unteschiedlichen Trichtern besteht, die mit vertikaler Achse ausgerichtet und so zueinander angeordnet sind, daß sich ein freier Strömungskanal im Zwischenraum zwischen beiden ergibt — und der unten eine weite Öffnung für den Trichter-Innenraum zum Sammeln der aus der Gärsuspension aufsteigenden Gase und oben eine enge öffnung zum Ableiten der gesammelten Gase aufweist.

Ein derartiger Biogasreaktor ist durch die DE-OS 20 978 bekannt.

Die genannte Trichteranordnung ist im oberen Bereich des Reaktionsraumes angeordnet. Das in unteren Bereichen des Reaktors gebildete Gas steigt nach oben und wird in trichterförmigen Räumen aufgefangen und von dort zur weiteren Verwertung abgeleitet.

Über und neben den Trichtern entsteht ein von Gas weitgehend befreiter Bereich, in dem dadurch günstige Bedingungen für das Sedimentieren der nach oben transportierten Biomasse existieren. Die sedimentierte Biomasse strömt aufgrund des höheren spezifischen Gewichts durch zwischen den Trichtern angeordnete öffnungen nach unten zurück in den Reaktionsraum. Die verbleibende, nur wenig Biomasse enthaltende Flüssig-

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keit wird aus dem Reaktor abgezogen. mehreren neben- und übereinander angeordneten pris-

Das Funktionieren des Prinzips dieses Reaktors, An- ma-förmigenTrichte .;

reicherung von aktiver Biomasse durch Sedimentation, Fig.3 ein Biogasreaktorgehäuse mit 3 übereinander setzt einerseits die Existenz sedimentiei enden Schlam- angeordneten kegelförmigen Doppeltrichtern; mes voraus, andererseits darf die Menge des als Endpro- 5 F i g. 4 ein Biogasreaktorgehäuse mit beispielsweise 7 dukt gebildeten Biogases (CH₄ und CO₂) ein bestimmtes übereinander angeordneten kegelförmigen Doppel-Maß nicht überschreiten, da sonst die Abscheideleistung trichtern und mit mehreren nur einigen Doppeltrichtern der Anordnung nicht mehr ausreicht und aktive Biomas- zugeordneten Gas-Abfuhrleitungen -mit Drosselventise trotz bester Sedimentationseigenschaften aus dem len;

Reaktionssystem ausgetragen wird. Hieraus ergeben io Fig.5 ein Biogasreaktorgehäuse mit den einzelnen

sich gewisse Limitationen für die technische Ausbildung Doppeltrichtern zugeordneten Böden:

des Reaktors sowie für die Substratkonzentration: F i g. 6 eine praktisch erprobte Ausführung.

Der in F i g. 1 dargestellte in einem Biogasreaktorge-

1. Da mit zunehmender Höhe des Reaktors die — häuse 1 angeordnete erfindungsgemäße kegelförmige bezogen auf die Grundfläche des Reaktors — pro- 15 Doppeltrichter besteht aus einem Außentrichter 2 und duzierte Gasmenge zunimmt, ist die Reaktorhöhe einem Innentrichter 3, die in nicht näher dargestellter nach oben begrenzt Bis heute sind Reaktoren nur Weise in dem zylindrischen Gehäuse 1 fest angeordnet bis zu einer Gesamthöhe von 6,5 m bekannt Bei sind. In dem Gehäuse 1 ist Biomasse enthalten, aus der sehr großen Reaktionsvolumina beifügt diese Ein- infolge der Gärung Gasblasen 5 zur freien Oberfläche 6 schränkung einen großen Platzbedarf, der gerade 20 aufsteigen, über der dieses in Blasenform aufsteigende in der Nahrungsmittelindustrie bzw. bei der phar- Biogas in einem nach oben hin geschlossenen Gasraum mazeutischen Industrie nicht immer vorhanden ist 7 des Innentrichters 3 aufgefangen wird. Dieser Gas-Im übrigen nimmt bei Vergrößerung der Reakto- raum 7 kann rotationssymmetrisch als Kegel oder bei ren die gegen Wärmeverlust zu isolierende Ober- größeren Reaktoreinheiten als langgestrecktes fläche gegenüber kompakten Anordnungen stärker 25 Dreiecksprisma (auch in mehreren Reihen angeordnet, ^zu; vgl. F i g. 2) ausgeformt sein. Der Gasraum 7 läuft, wenn

2. Die Vergärung von extrem hochbelasteten Sub- er voll ist, an Kanten 8 über; dort wird das überströmen-■ straten (Beispiel Molke: BSB = 60 000 mg/1) ist de Gas von den überstehenden Kanten 9 des Außen-

nach eigenen Erfahrungen in Reaktoren der ge- trichters 2 aufgefangen und in dem freien Zwischennannten Art nur begrenzt möglich. Die hierbei er- 30 raum 10 zwischen den beiden Trichtern 2 und 3 nach reichten hohen Gasproduktionsraten führen auch oben zu einer Ausgangsöffnung weitergeleitet. Auf diebei vergleichsweise niedrigen Reaktorhöhen zum se Weise wird ein darüberliegender turbulenzarmer Austrag aktiver mikrobieller Masse und damit zum Raum mit günstigen Sedimentationsbedingungen erZusammenbruch des Umsatzgeschehens. zeugt

35 Die aus der Ausgangsöffnung (Rohrausgang 11) auf-

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun- steigenden Gasblasen werden in dem Gasraum des darde, einen Biogasreaktor der eingangs genannten Art, über angeordneten Doppeltrichters aufgefangen und jedoch größerer Bauhöhe zu schaffen, der auch bei An- von dort in entsprechender Weise weitergeleitet fall großer Gas.nengen ein weitgehend unbeeinträchtig- Mit den Gasblasen werden aber auch Biomasse-

tes Absetzen der Biomasse erlaubt. 40 Schlammteilchen mitgerissen, die jedoch nach dem Aus-

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, treten der Gasblasen aus dem Rohrausgang 11 in einen

durch die Innenwand des Gehäuses 1 und durch die

- daß die beiden jeweils einen Doppteltrichter bil- Außenwand des Außentrichters 2 gebildeten Raum, den denden Trichter formgleich und ineinander ange- Sedimentationsraum 13, zurücksinken und dort sediordnetsind, ₄₅ mentiert werden.

- daß der Innen-Trichter oben geschlossen und somit Der im Sedimentationsraum 13 sich bildende überder Gas-Sammelraum ist, schüssige Schlamm kann an den Kanten 9 des Außen-

- und daß in dem Gehäuse mindestens zwei Doppel- trichters 2 in den darunterliegenden Raum abfließen, trichter in einem Abstand übereinander angeord- Ein Verstopfen dieser kreisringförmigen Spaltöffnung ^{net sind}- 50 14 ist nicht zu befürchten, da die Schlammbewegung

durch eine gleichgerichtete Strömung des im Sedimen-

Durch diese Lösung können tationsraum 13 zu vergärenden Mediums unterstützt

wird. Diese dort im Kreislauf geführte Flüssigkeitsströ-

a) Biogasreaktoren geschaffen werden, die extrem mung wird durch die im Innern des Doppeltrichters aufhohe Gasbelastungen ermöglichen, ohne daß ein 55 steigenden Gasblasen angetrieben. Nahe unterhalb der ^ Austrag aktiver Biomasse zu befürchten ist, Spaltöffnung 14 ist an der Gehäuse-Innenwand ein Leit-

b; Biogasreaktoren beliebig großer Höhe gebaut wer- Ring 15 vorgesehen, der die aufsteigenden Gasblasen ^den· am Eintreten in die Spaltöffnung 14 hindert und in Rich-

^. ... . _ twig auf den Gas-Sammelraum 7 des zugehörigen In-

Die beiden einen Doppeltrichter bildenden Trichter 60 nentrichtes 3 leitet

schließen den gleichen Winkel ein. Bei der in F i g. 2 gezeigten Anordnung sind die wie

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Biogasreaktors bei F i g. 1 je aus einem oben geschlossenen Innentrich-

nach dem Anspruch 1 enthalten die Unteransprüche. ter und einem mit einer Ausgangsöffnung 18 oben offe-

Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er- nen Außentrichter bestehenden Doppeltrichter 16 pris-

f.ndungdargestelt Es zeigt ₆₅ ma-förmig ausgebildet und in einem Gehäuse 17 zu

F ig 1 einen erfindungsgemäßen kegelförmigen Dop- mehreren nebeneinander und mit Abstand übereinan-

peltrichter fur sich in einem Öiogasreaktorgehäuse; der untergebracht. Wie bei der F ig. 2 bestehen zwi-

F1 g. 2 eine erfindungsgemäße Trichterausbildung mit sehen der Wand des Gehäuses 17 bzw den Außenwän-

den benachbarter Doppeltrichter und den Außenwänden der Außentrichter Sedimentationsräume 19 bzw. 20, die über Spaltöffnungen 21 bzw. 22 mit den darüberliegenden Räumen in Verbindung stehen und das Absinken der sedimentierten Schlammteilchen ermöglichen. Entsprechend der Prisma-Bauart der Doppeltrichter sind unterhalb der Kanten der Außentrichter Leit-Leisten 23 bzw. 24 vorgesehen, die aufsteigende Gasblasen 25 am Eintreten in die Spaltöffnungen 21, 22 hindern und in Richtung auf Gas-Sammelräume 26 der zugehörigen Innentrichter leiten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung zeigt die Fig.3. Hier sind in einem zylinderförmigen Gehäuse 27 mit Abständen voneinander beispielsweise 3 kegeiförmige Doppeltrichter 28 übereinander angeordnet. Am unteren Teil des Gehäuse 27 ist ein Substrat-Zulauf 29 vorgesehen und am oberen Teil ein Substrat-Ablauf 30. Die entstandenen Gase, z. B. CH4, CO2, werden durch eine Öffnung 31 im Deckel 32 des Gehäuses abgeführt. Ein Großteil des im unten liegenden »Schlammbett« entstandenen Gases wird bereits durch den untersten Doppeltrichter direkt am Entstehungsort aufgefangen. Die darüberliegenden Elemente sammeln Gas, das durch in der Gärsuspension suspendierte Mikroorganismen gebildet wurde. Auf diese Weise entsteht durch die Sedimentationsräume 34 ein verhältnismäßig großer turbulenzarmer Bereich, so daß sich die Sedimentation aktiver Biomasse und damit das Rückhaltevermögen des Reaktors für Mikroorganismen wesentlich gegenüber der bisher üblichen Anordnung verbessert. Damit wird auch ein Betrieb mit Mikroorganismen möglich sein, deren Sedimentationseigenschaften in der konventionellen »uplofw«-Anordnung nicht mehr ausreichen würden.

Für relativ hochkonzentrierte Substrate (CSB > 30 000 mg/1), bei deren Verlängerung große Gasproduktionsraten auftreten, ist eine noch dichtere Anordnung der Begasungselemente (Hochleistungsreaktor) gemäß F i g. 4 sinnvoll.

Von jedem einzelnen Element 36 geht eine gewisse Rührwirkung (Mammutpumpeneffekt) aus, die zu einer sehr gleichmäßigen Versorgung der beteiligten Mikroorganismen führt und einer zu weitgehenden Sedimentation entgegenwirkt Um jedoch zu hohe Gasdurchsätze in den oberen Teilen des Reaktors zu vermeiden, kann eine bestimmte konstante Gasmenge (kleinere Gasmenge als tatsächlich erzeugt wird) in verschiedenen Stufen nach außen über je ein Drosselorgan 37 abgeführt werden. Der Gasdurchfluß durch das Drosselorgan kann auch geregelt werden. Hierbei wird die freie Flüssigkeitsoberfläche über einen Flüssigkeitsstandfühler abgetastet Bei Ansteigen der Flüssigkeitsoberfläche wird der Gasdurchfluß so verringert, daß die Flüssigkeitsoberfläche in einer Höhe eingeregelt wird, so daß der Innentrichter 48 gerade nicht mehr überläuft Wie bei Fig.3 ist ein Substratzulauf 38, ein Substratablauf 39 und eine Gas-Ableitung 40 für z. B. CH₄, CO₂ vorgesehen.

in Fällen, in denen mit einer hohen Sedimentationsneigung der aktiven Mikroorganismen (anaerober Schlamm) zu rechnen ist, ist die Einführung von Zwischenboden 41 angezeigt, auf denen der Schlamm in jeder einzelnen Stufe gehalten wird (vgl. F i g. 5). Die Zwischenböden sind so gestaltet, daß von unten nach oben strömende Gase und Flüssigkeiten durchgelassen werden, jedoch die sedimentierenden Schlammteilchen am Durchtritt nach unten gehindert werden. Diese Anordnung dürfte auch bei sehr großen Bauhöhen zweckmäßig sein, da in diesem Fall eine gleichmäßigere Verteilung des aktiven Schlammes über die Reaktorhöhe gewährleistet werden kann.

Als Ausführungsbeispiel wird in F i g. 6 eine Laboranlage gezeigt. Ein zylindrisches Gehäuse 49 hat einen Innendurchmesser von 150 mm. Die 5 Doppeltrichter sind an einem durchgehenden Rohr 42 mit 20 mm Durchmesser im Abstand von 500 mm übereinander angeordnet. Das Rohr ist in Scheitelhöhe der Innentrichter 44 in axialer Richtung verschlossen. Der Trichter-Zwischenraum 46 führt zu radialen Einlauföffnungen 43 im Rohr 42. Radiale Auslaßöffnungen 45 im Rohr befinden sich im Bereich eines Gassammeiraumes 50 des Innentrichters.

Die zu vergärende Flüssigkeit wird im untersten Teil des Rohres zugeführt 51; die Verteilung erfolgt über radiale Öffnungen 52 unterhalb eines Verschlusses 53. Die Flüssigkeit wird bei 55 abgeführt, das Gas verläßt den Apparat am Reaktorkopf bei 56.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Biogasreaktor, dessen Gehäuse ganz oder teilweise mit aktiver Biomasse gefüllt und oben durch mindestens einen Doppeltrichter abgeschlossen ist,

— der aus zwei in ihren Abmessungen unterschiedlichen Trichtern besteht, die mit vertikaler Achse ausgerichtet und so zueinander angeordnet sind, daß sich ein freier Strömungskanal im Zwischenraum zwischen beiden ergibt

— und der unten eine weite Öffnung für den Trichter-Innenraum zum Sammeln der aus der Gärsuspension aufsteigenden Gase und oben eine enge öffnung zum Ableiten der gesammelten Gase aufweist,