DE4124880C2 - Verfahren zur Kompostierung von organischen Abfällen - Google Patents
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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.
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