DE4124880C2 - Verfahren zur Kompostierung von organischen Abfällen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompostierung von orga­ nischen Abfällen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei der Kompostierung erfolgt eine fermentative Hydrolyse der organi­ schen Abfälle durch Mikroorganismen.

Ein Verfahren zur Kompostierung von organischen Abfällen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-PS 36 37 393 be­ kannt. Bei dem vorbekannten Verfahren werden organische Abfall­ stoffe unter Zwangsbelüftung kompostiert.

Kommunale Siedlungsabfälle haben ein breites Spektrum biologisch abbaubarer organischer Stoffanteile. Die einzelnen Bestandteile der Abfälle werden allerdings von sehr unterschiedlichen Mikro­ organismen mit entsprechend unterschiedlichen Lebensbedingungen bevorzugt abgebaut. Hierbei sind aufgrund ihrer physiologischen Grundfunktion Aerobier (aerobe Mikroorganismen) und Anaerobier (anaerobe Mikroorganismen) zu unterscheiden. Zur Steuerung des jeweils günstigsten Klimas, also der jeweils günstigsten Lebens­ bedingungen für die Mikroorganismen wurden speziell aerob und anaerob wirkende Fermenter (Fermentationsbehälter) als technisch beeinflußbare Lebensräume für festes und flüssiges Substrat ge­ schaffen. Die technische Entwicklung in der Behandlung organi­ scher Abfälle zeigt, daß Fermenter für flüssige Substrate bevor­ zugte Lebensräume für anaerobe Mikroorganismen sind (beispiels­ weise Faulanlagen), während Fermenter für feste Substrate vor­ zugsweise Lebensräume für aerobe Mikroorganismen darstellen (bei­ spielsweise Kompostreaktoren).

Bei einem Fermenter für die anaerobe Fermentation wird das stoff­ wechselgerecht vorbereitete Substrat, also die abzubauenden orga­ nischen Abfallsubstanzen, in einer Flüssigkeit kontinuierlich zugeführt. Die Stoffwechselprodukte werden flüssig und gasförmig abgeführt. Die Flüssigphase setzt voraus, daß der Fermenter als kontinuierlich betriebener Bioreaktor arbeitet. Dies stellt an die technische Gestaltung des Fermenters hohe Anforderungen, da ein anaerober Prozeß unter strengem Luftsauerstoffabschluß voll­ zogen werden muß. Darüber hinaus sind anaerobe Mikroorganismen überwiegend zu ganz speziellen Stoffwechselleistungen befähigt, beispielsweise zum Abbau niedermolekularer organischer Verbin­ dungen im Wasser; eine universellere Abbauleistung ist nur von aeroben Mikroorganismen zu erwarten, beispielsweise der Abbau nieder- und hochmolekularer organischer Verbindungen im Einfluß­ bereich der Luft an der Erdoberfläche.

Aus der DE-OS 34 20 433 ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Her­ stellung von Biogas und Düngemitteln bekannt, bei dem das Aus­ gangsmaterial, nämlich organische Abfallstoffe, zunächst vorbe­ handelt, nämlich zerkleinert, zu einer homogenen Masse vermischt und erwärmt wird. Beispielsweise kann eine aus Rindergülle beste­ hende Biomasse zerkleinert, homogenisiert und als wäßrige Suspension in einen Behälter eingebracht werden. Das derart vor­ behandelte Ausgangsmaterial wird dann in drei Verfahrensschrit­ ten behandelt, die räumlich getrennt durchgeführt werden. Zu­ nächst wird die Biomasse in einem Vorfermenter aerob oder an­ aerob zu niederen organischen Säuren, CO₂ und H₂ umgesetzt. In dem Vorfermenter herrschen Wachstumsbedingungen für mesophile Mikroorganismen. Anschließend werden die Zwischenprodukte in ei­ nem Hauptfermenter durch Anaerobier zu CH₄ und CO₂ umgewandelt. In dem Hauptfermenter herrschen Wachstumsbedingungen für thermo­ phile Mikroorganismen. Schließlich wird die nun weitgehend abge­ baute Biomasse in einem Nachfermenter mittels Anaerobier bei etwa 70°C bis 135°C restlos ausgegärt, wobei das Düngemittel sowie zusätzliches Biogas entstehen. Dadurch, daß das Verfahren in drei Verfahrensschritten aufgeteilt ist, die räumlich ge­ trennt durchgeführt werden, können unterschiedliche Fermenta­ tionstemperaturen realisiert werden.

Das in der DE-OS 34 20 433 beschriebene Verfahren geht damit von der sich auf natürliche Weise auf einem Substrat einstellenden Biozönose aus, die bei Luftabschluß zunächst noch aerobe Mikroor­ ganismen existieren läßt. Diese stellen bei zunehmendem Sauer­ stoffmangel ihre Lebensfunktion ein und aerobe Mikroorganismen gewinnen die Oberhand. Ferner erfolgt die Durchführung der Fer­ mentation bei der DE-OS 34 20 433 in Flüssigkeitsfermentern durch Wärmezufuhr von außen, wobei das Endergebnis ein ausgefaul­ ter Schlamm ist, der einen hohen Wassergehalt aufweist. Dieser Schlamm kann nur mit aufwendigen mechanischen Entwässerungsmetho­ den und nachgeschalteten Trocknungsanlagen mit Fremdwärmezufuhr in einen trockenen, lagerfähigen Zustand überführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kompostierung von organischen Abfällen der eingangs angegebenen Art zu verbes­ sern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die organi­ schen Abfälle werden nach dem aeroben Abbau zumindest eines Teils der leicht abbaubaren Bestandteile unter Sauerstoffaus­ schluß durch anaerobe Mikroorganismen anaerob abgebaut.

In einer ersten Phase wird ein aerober Abbau durchgeführt. Da­ nach wird unter Sauerstoffausschluß ein anaerober Abbau durchge­ führt. Jede dieser beiden Phasen kann optimal eingestellt wer­ den. Durch die Kombination dieser beiden Phasen ist es möglich, ein verbessertes Endprodukt zu erhalten. Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur biologischen Abfallbehandlung geschaffen, bei dem durch eine entsprechende Verfahrensführung einmal für aerobe und zum anderen für anaerobe Mikroorganismen jeweils die für einen optimalen Stoffwechsel günstigsten Lebensbedingungen technisch geschaffen werden können. Durch die vorliegende Erfin­ dung ist erstmals die Möglichkeit gegeben, in einem Fermenta­ tionssystem sowohl auf anaerobem wie auch auf aerobem Weg organi­ sche Abfallstoffe abzubauen.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß beim Abbau niedermo­ lekularer organischer Substanzen neben der reinen Massenreduk­ tion auch von Fall zu Fall ein Stoffwechselprodukt von wirt­ schaftlicher Bedeutung anfallen kann. Beispielsweise entsteht bei der Faulung Methan (CH₄), das zur Erzeugung von Hochtempera­ turenergie verwendet werden kann. Bei der Kompostierung (aerobe Fermentation) entsteht Kohlendioxyd (CO₂), das beispielsweise zur Gewächshausbegasung genutzt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Während dem anaeroben Abbau kann als sauerstoffreie Spülflüssig­ keit Wasser zugeführt werden. Für diese Flüssigkeitsspülung wird vorzugsweise ein wiederaufbereitetes flüssiges Medium verwendet.

Vor dem aeroben Abbau kann ein anaerober Abbau durchgeführt wer­ den. Es ist also möglich, daß die erste Verfahrensstufe als an­ aerobe Phase durchgeführt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Verfah­ ren mehrmals nacheinander, also mindestens zweimal, nacheinander durchgeführt. Die aerob-anaeorb-Phasen können sich aber auch - je nach Bedarf - beliebig oft wiederholen.

Die bei dem aeroben Abbau entstandenen Stoffwechselprodukte können zu Beginn des anaeroben Abbaus durch ein Spülmedium, vorzugsweise ein flüssiges Spülmedium, vorzugsweise Wasser, entfernt werden. Bei diesem Spülmedium kann es sich um die oben bereits erwähnte sauerstoffreie Spülflüssigkeit handeln, die dann auch während des anaeroben Abbaus zugeführt wird.

Nach dem anaeroben Abbau kann erneut ein aerober Abbau durchge­ führt werden. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung werden die anaeroben Mikroorganismen zu Beginn des erneuten aeroben Abbaus durch ein Spülmedium, vorzugsweise ein flüssiges Spülmedium, vor­ zugsweise Wasser, entfernt. Bei der erneuten Luftzufuhr zu Be­ ginn des erneuten aeroben Abbaus sterben die noch vorhandenen anaeroben Mikroorganismen ab. Sie werden durch das Spülmedium ausgespült. Mit einem flüssigen Spülmedium werden sie als Schlamm ausgespült und entfernt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Fermentationsbehäl­ ter durchgeführt werden. Das Verfahren wird dann in einem einzi­ gen Fermentationsbehälter durchgeführt, in dem nacheinander bzw. abwechselnd aerobe und anaerobe Phasen stattfinden. Es ist also möglich, beide - aerobe und anaerobe - Fermentationsvorgänge in ein und demselben Reaktor nacheinander ablaufen zu lassen.

Es ist ferner möglich, den aerobe Abbau in einem ersten Fermen­ tationsbehälter und den anaerobe Abbau in einem zweiten Fermen­ tationsbehälter durchzuführen. Sowohl der erste als auch der zweite Fermentationsbehälter können von derselben Bauart sein. Es ist möglich, die aus der DE-PS 36 37 393, auf die hiermit Bezug genommen wird, bekannte Vorrichtung zu verwenden. Es ist möglich, in einem oder mehreren miteinander verbundenen Fermen­ tationsbehältern den aeroben Abbau durchzuführen, während in ei­ nem oder mehreren weiteren, vorzugsweise daneben liegenden Fer­ mentationsbehältern den anaerobe Abbau durchgeführt wird. Die aeroben und anaeroben Mikroorganismen können jeweils ihre spe­ zifischen Stoffwechselfunktionen entfalten. Das abzubauende Ab­ fallsubstrat wird zunächst in den Fermentationsbehälter für den aeroben Abbau eingebracht, diesem dann nach beendeter Hauptstoff­ wechselphase entnommen und in den Fermentationsbehälter für den anaeroben Abbau eingebracht.

Der aerobe Abbau wird durch eine Spülung des Fermentationsbehäl­ ters (Festbett-Reaktors bzw. Festbett-Fermenters) mit Luft bzw. einem sonstigen sauerstoffhaltigen Gas gewährleistet. Der anaero­ be Abbau, der ebenfalls im Festbettreaktor durchgeführt werden kann, setzt eine Spülung mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Was­ ser, voraus. Da bei dem aeroben Abbau Wärmeenergie direkt freige­ setzt wird, kann diese zur Wasserverdunstung, also zur Trocknung der noch vorhandenen Masse (Restmasse), genutzt werden. Das bei dem anaeroben Abbau freigesetzte Methan kann zur Wärmeerzeugung genutzt werden, vorzugsweise zur Trocknung der Restmasse. Es kann als speicherbarer Energieträger nach Verbrennung zur Rest­ massetrocknung verwendet werden.

Es ist möglich, die Festbett-Fermenter der aeroben Stufe mit flüssigen Spülmedien zu betreiben und dabei Sauerstoff zuzufüh­ ren. Im Anschluß hieran kann die durch Mikroorganismen von Sau­ erstoff befreite Flüssigkeit in der anaeroben Phase (also bei dem anaeroben Abbau) genutzt werden.

Vorzugsweise wird der einzige oder gegebenenfalls letzte aerobe Abbau mit erwärmter Luft durchgeführt. Nach einer weiteren vor­ teilhaften Weiterbildung wird der einzige oder gegebenenfalls letzte aerobe Abbau im Vakuum durchgeführt.

Vorzugsweise werden die sich in dem sauerstoffhaltigen Gas und/ oder in der Spülflüssigkeit ansammelnden Stoffwechselprodukte neutralisiert. Dies geschieht vor dem Wiedereintritt dieser Stoffwechselprodukte in die Atmosphäre bzw. in die Umgebung.

Es ist ferner möglich, während dem aeroben Abbau eine Spülflüs­ sigkeit zuzuführen. Es ist ferner möglich, sowohl während dem aeroben Abbau als auch während dem anaeroben Abbau eine Spülflüs­ sigkeit zuzuführen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend beschrieben.

Das zu fermentierende Abfallgemisch wird in den Fermentationsbe­ hälter für die anaerobe Fermentation (dies kann der einzige Fer­ mentationsbehälter sein) eingelagert. Danach wird in Abhängig­ keit von der biologischen Wachstumskurve, die in der DE-PS 36 37 393 erläutert ist, die für einen optimalen Abbau erforderliche Sauerstoffmenge zugeführt. Das Verfahren kann in dem aus der DE-PS 36 37 393 bekannten Fermentationsbehälter durchgeführt wer­ den. Die biologisch schnell zu erschließende leicht abbaubare organische Substanz des Abfallsubstrates wird in Wasser, Kohlen­ dioxyd, Wärme und Mineralstoff-Restoxydationsprodukte umgewan­ delt. Soweit die Stoffwechselprodukte gasförmig sind, werden diese mit einem Spülgas, beispielsweise Luft, aus dem Fermenta­ tionsraum entfernt. Anschließend werden die Stoffwechselprodukte aus dem Spülgas entfernt, so daß es nicht zu unangenehmer Ge­ ruchsausbreitung kommt.

Wenn der leicht abbaubare Substratanteil abgebaut ist, stellen die aeroben Mikroorganismen, die sich auf dem Grundsubstrat ent­ sprechend vermehrt haben, noch eine beträchtliche Biomasse mit entsprechender Zellflüssigkeit dar, die nun im zweiten Verfah­ rensschritt von anaeroben Mikroorganismen abgebaut wird. Dabei wird die Sauerstoffzufuhr unterbunden. Da keine Luft von außen in den Fermenter mehr eindringt, wird zunächst der Restsauer­ stoff noch vor dem Absterben der aeroben Mikroorganismen ver­ braucht. Danach können die anaeroben Mikroorganismen die noch vorhandene leicht abbaubare Zellflüssigkeits- und Restbiomasse in Methan, Kohlendioxyd und Wasser umwandeln. Zur Aufrechterhal­ tung eines für anaerobe Mikroorganismen optimalen Lebensraumes werden die Stoffwechselprodukte durch eine Flüssigkeit, bei­ spielsweise Wasser, entfernt, wobei diese Spülflüssigkeit - wie auch bei der anaeroben Fermentation - vor dem Wiedereintritt in die Umgebung, beispielsweise in Flüsse oder Bäche, zur Vermei­ dung von Umweltschäden neutralisiert wird.

Die übrig bleibende, biologisch schwer abbaubare Abfallrestmasse wird nach der anaeroben Phase während des Abzugs der Spülflüssig­ keit wieder mit Sauerstoff, vorzugsweise atmosphärischer Luft, beaufschlagt. Die restlichen noch in dem Fermentationsgemisch verbleibenden anaeroben Mikroorganismen sterben unter diesem Sauerstoffeinfluß rasch ab; sie werden mit der Spülflüssigkeit ausgespült. Die ausgespülten Organismenreste werden als Schlamm aus dem Spülwasser entfernt.

Die feuchte, hydrolisierte Abfallrestmasse wird vorzugsweise im Vakuum getrocknet, so daß sich Mikroorganismen nicht mehr ent­ wickeln können. Auf diesem Weg entsteht eine biologisch nicht mehr reagierende organische Restsubstanz.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur fermentativen Hydrolyse organischer Abfälle durch aerobe und anaerobe Mikroorganismen wird in einem Festbett-Fermenter zur aeroben Fermentation ein sauerstoffhaltiges Spülgas verwendet. Danach wird - durch Ab­ stellen des sauerstoffhaltigen Spülgases - von den aeroben Mikroorganismen eine sauerstoffreie Atmosphäre für anaerobe Mikroorganismen hergestellt. Zur anaeroben Fermentation wird eine sauerstoffreie Spülflüssigkeit zugeführt. Die Fermenta­ tionsvorgänge laufen in zeitlicher Folge nacheinander ab, wobei jeweils die sich in den Spülmedien ansammelnden Stoffwechselpro­ dukte vor Wiedereintritt in die Atmosphäre bzw. Umgebung neu­ tralisiert werden.

Sowohl die aerobe Phase wie auch die anaerobe Phase können mit einem flüssigen Spülmedium betrieben werden.

Die Festmassen-Beschickung und -Entleerung der Fermentations­ behälter kann durch mobile Transportgeräte erfolgen. Sie kann aber auch durch stetig fördernde Aggregate erfolgen. Die Wände des Fermentationsbehälters können aus Beton hergestellt werden, aber auch aus Metall oder aus Kunststoff oder aus natürlichen Stoffen. Das Spülmedium der aeroben Phase kann mit Sauerstoff angereichert werden. Es kann nach Durchlaufen der aeroben Phase als Spülmedium in der anaeroben Phase genutzt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kompostierung von organischen Abfällen, bei dem die Abfälle zunächst durch aerobe Mikroorganismen unter Zu­ fuhr eines sauerstoffhaltigen Gases aerob abgebaut werden und nach Abbau zumindest eines Teils der leicht abbaubaren Bestandteile der Abfälle die Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases beendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfälle anschließend unter Sauerstoffausschluß durch anaerobe Mikroorganismen anaerob abgebaut werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend dem anaeroben Abbau als sauerstoffreie Spülflüssigkeit Wasser zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem aeroben Abbau ein anaerober Abbau durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem anaeroben Abbau erneut ein aerober Abbau durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die anaeroben Mikroorganismen zu Beginn des erneuten aeroben Abbaus durch Spülen mit Wasser entfernt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in dem sauerstoffhaltigen Gas und/oder in der Spülflüssigkeit ansammelnden Stoffwechsel­ produkte neutralisiert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während dem aeroben Abbau eine Spül­ flüssigkeit zugeführt wird.