DE4415017C2 - Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, insbesondere Gülle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung pflanzlicher und tierischer Biomasse, insbesondere Gülle, sowie zur Aufbereitung anfallender anorganischer Abfallprodukte.

Die zunehmende Konzentrierung umfangreicher Tierbestände in landwirtschaftlichen Großviehanlagen führte zu einer Umstellung der traditionellen Stallmist/Jauche-Wirtschaft auf die effektivere Flüssigmist/Güllewirtschaft.

Die in großen industriellen Anlagen anfallenden Güllemengen verursachen grundsätzlich eine Reihe von Folgeproblemen, die sich aus den natürlichen pflanzenbaulichen Erfordernissen, den zulässigen Stickstoffbelastungen der Boden und des Grundwassers, dem Defizit an landwirtschaftlicher Nutzfläche im Verhältnis zum Tierbestand und den daraus resultierenden enormen Lagerkapazitäten und dem damit verbundenen Wertverlust, insbesondere bei der konzentrierten Ausbringung durch Ammoniakemission, die bis zu 35% des Stickstoffs betreffen kann, ergeben. Gleichzeitig ist mit dieser Emission eine erhebliche Umweltbelastung verbunden.

Aus der Literatur sind eine Vielzahl von Verfahren und Ausrüstungen zur Behandlung von Gülle und Abwasserprodukten aus der Landwirtschaft bekannt, wovon ein großer Teil bisher umgesetzter Modelle mit zu hohem technischen Aufwand realisiert wurden. So sind Verfahren auf dem Markt oder in Erprobung, die mit enormen Aufwand an Grundmitteln und Energie die Zielstellung "Vorfluterreife" erreichen wollen. So zum Beispiel durch den Einsatz der Membranfiltertechnik, Verfahren der Schlammeindickung sowie kostenaufwendige chemische Verfahren zur Schadstoffelimination. Kernpunkt fast jeder Gülleauf­ bereitungsanlage ist der zur Vergärung mittels Anaerob­ fermentation eingesetzte Biogasreaktor.

In DE 38 43 789 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung besonders von Gülle beschrieben, die sich dadurch auszeichnen, daß die Gülle einer anaeroben Vergärung unter Erzeugung von Biogas unterworfen wird. Hierzu werden aus der Gülle die Feststoffe abgetrennt, die Dünngülle kontinuierlich einem mit Bakterien immobilisierten Festbett-Durchfluß-Reaktor zugeführt, wobei aus diesem das anfallende Biogas und die Abfallprodukte abgeführt werden.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, daß die gesamte Gülle auf einen pH-Wert < 11 eingestellt werden muß. Die gewonnenen Feststoffe müssen nach der vorgeschlagenen zwei- oder mehrstufigen Zentrifugation (die einen hohen anlagen­ technischen Aufwand darstellen) neutralisiert werden, um als Düngemittel Verwendung finden zu können, das erhaltene Filtrat muß ebenfalls neutralisiert werden, bevor es einer üblichen Wasseraufbereitung unterzogen werden kann. Desweiteren ist durch die mehrfache starke pH-Wert-Regulierung der Aufwand an zuzugebenden Chemikalien, die wieder als Abfall beseitigt werden müssen, sehr hoch.

In DE-OS 32 32 530 wird ein Biogashochleistungsdurchlaufreaktor beschrieben, bei dem in einem Reaktorraum hochmolekulare organische Materialien durch Bakterienstämme in organische Materialien mit niedrigem Molekulargewicht und diese in niedrige organische Säuren überführt werden, die abgebauten Produkte nach unten sinken und innerhalb des Fermentations­ raumes zwischen Führungen aus offenporigem Material geführt werden. Dieser Reaktor ist jedoch nicht für die Verarbeitung von Gülle einsetzbar.

Ein Tunnelreaktor wird in DE-OS 38 05 864 beschrieben, in dem der zugeführten Gülle ein Kohlenstoffträger, z. B. Sägemehl, zugegeben wird, die nicht gebundene Flüssigkeit über einen perforierten Boden ausgeschieden und der Rohkompost auf einer Nachrottefläche gelagert wird, ehe er als Rückgut erneut in den Tunnelreaktor zugeführt und mit neuer Gülle bewässert wird. Bei diesem Verfahren ist insbesondere die relativ lange Verweildauer sowie die erforderliche Zwischenlagerung von Nachteil.

In DE-OS 37 23 851 wird ferner ein Biogasreaktor mit trichter­ förmigen Trennelementen beschrieben. Der Trichter ist von einem zylinderförmigen Mantel derart umgeben, daß zwischen Mantel und Reaktorwand ein Ringkanal und zwischen Mantel und Trichter ein Gassammelraum ausgebildet ist, aus dem Gas über eine Abführleitung abgeführt wird. Hierbei wirkt sich nachteilig aus, daß durch die Ansaugwirkung der Zirkulationsstromung auf dem Weg von der Trichterspitze zum außen liegenden Ringkanal die aufsteigenden Gasblasen abgefangen und direkt in den äußeren Ringkanal geleitet werden, so daß die Abscheideleistung verringert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch die Entwicklung eines zweistufigen Kombinations-Biogasreaktors die enzymatischen und mikrobiellen Reaktionen und Prozeßabläufe sowie eine partielle Konzentrierung der verschiedenen Inhaltsstoffe und partielle Rückführung der Konzentrate zur Beschleunigung zu gewährleisten, ohne daß Verzögerungen im Gasbildungsverlauf auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die Festlegung der konstruktiven Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruchs gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der zweistufige Kombinations-Biogasreaktor wirkungsvoll die Funktionen des Festbettreaktors und des Schlammbettreaktors zu einer Kombination vereinigt, eine hohe Biomasserückhaltung realisiert sowie bei Gewährleistung einer hohen Variabilität in der Anpassung der individuellen Zusammenstellung und kürzester Verweildauer der zu verarbeitenden Medien eine ökonomische und anwenderfreundliche Lösung darstellt, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad, Funktionssicherheit und minimalem ausrü­ stungstechnischen Aufwand auszeichnet.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispieles, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiel

Der in der zugehörigen Zeichnung dargestellte Biogasreaktor 1 besteht aus einer ersten, im unteren Teil trichterförmig ausge­ bildeten, Verarbeitungsstufe 2 und einer zweiten Verarbei­ tungsstufe 3, die über Überleitungsöffnungen 12 miteinander verbunden sind.

Innerhalb der ersten Verarbeitungsstufe ist zur Einstellung der Prozeßtemperatur eine Heizung 8 installiert und im oberen Teil eine Durchmischung 9 angeordnet, die eine Schwimmdeckenbildung während des Verarbeitungsprozesses verhindert.

In der zweiten Verarbeitungsstufe 3 ist zwischen der ersten Verarbeitungsstufe 2 und Reaktorinnenwand ein Anaerobfilter 4, bestehend aus speziell für diesen Anwendungsfall hergestellten und auf Trägerrahmen montierten Glasfasern, sternförmig angeordnet. In einem festgelegten Raster sind die Glasfasern mit weiteren Trägereinheiten verbunden, die im Anaerob­ filterbereich entlastend eingehängt sind.

Der untere Teil der zweiten Verarbeitungsstufe 3 ist als Schlammbettreaktor 5 ausgebildet. Die Auflockerung des Schlammes geht vom unteren Mittelpunkt aus, wobei sich durch die trichterförmige Ausbildung des unteren Teiles der ersten Verarbeitungsstufe 2 eine allseitige, den gesamten Freiraum erfassende, Umwälzung ergibt.

Der obere Teil des Reaktors 1 ist für eine Gastrennung in einen CH₄-Gasraum 6 und einen CO₂-Gasraum 7 ausgebildet. Die Gastrennung geht bis zu den Überleitungsöffnungen 12, die mit Gasleiteinrichtungen versehen sind.

Für die Zuführung der Rohgülle, Abführung der ausgefaulten Gülle, die Schlammumwälzung und den Impfgutrücklauf sind außerhalb des Reaktors 1 Dickstoffpumpen 10 angeordnet, die über Magnetventile 11 steuerbar sind.

Das im zweistufigen Kombi-Biogasreaktor 1 zu verarbeitende Substrat gelangt von einem Wärmetauscher über eine Zuleitung in den trichterförmigen unteren Teil der ersten Verarbei­ tungsstufe 2 und wird dort durch die installierte Heizung 8 auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Durch die ansteigende Temperatur und die im oberen Teil der ersten Stufe angeordnete Durchmischung 9 mit weiterer Aufheizung 8 bis zur Prozeß­ temperatur läuft die Hydrolyse und die säurebildende Phase ab, bei der die Reduzierung der hochmolekularen organischen Verbindungen zu niedrigmolekularen Verbindungen stattfindet. Mit diesem Aufbereitungszustand gelangt das Substrat durch die Überleitungsöffnungen 12 in den ringförmigen Teil der zweiten Verarbeitungsstufe 3, wobei die Überleitung durch den Zufluß weiterer Biomasse in die erste Verarbeitungsstufe 2 gesteuert wird. Gleichzeitig verhindert die Durchmischung 9 eine Schwimm­ deckenbildung.

In der ringförmigen zweiten Verarbeitungsstufe 3 verwerten die Methanbakterien die Stoffwechsel- und Spaltprodukte der Säurebildner. Im Gegensatz zur ersten Verarbeitungsstufe 2 fließt das Substrat in der zweiten Verarbeitungsstufe 3 von oben nach unten und durchwandert den im Ring der zweiten Stufe installierten Anaerobfilter 4, der beispielsweise eine Fläche von 280 m²/m³ Reaktorvolumen aufweist und so für einen hohen Grad an Biomasserückhaltung sorgt, womit die Verweilzeit des Substrates auf wenige Tage begrenzt werden kann. Dieser Anaerobfilter verarbeitet Gülle mit hohen TS-Gehalten (6-8%) ohne zu verblocken.

Während der gesamten Zeit, in der das Substrat den Filter 4 durchwandert, sinken Grobteile schneller zu Boden und sorgen für eine starke Schlammanreicherung im unteren Teil des Reaktors. Durch eine weitere Schlammanreicherung, die durch Rückführung aus einem Absatzbecken erreicht wird, sowie durch ein mit geringem Druck arbeitendes Umwälzsystem arbeitet der untere Teil des Kombi-Biogasreaktors zusätzlich als Schlammbettreaktor mit hoher Biomasserückhaltung. Dieses System regelt auch die vorzugsweise 15%ige Schlammrückführung zur Impfung des Substrates in der ersten Verarbeitungsstufe 2.

Die aus dem Reaktor 1 abzuführende Dünngülle durchläuft im weiteren Aufbereitungsprozeß unter anderen bekannten Anlagenteilen eine Ammoniakstrippanlage 13 sowie eine biologische Nachkläranlage 14, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, diese genannten Anlagenteile zur Gestaltung der Immobilisierungstechnik ebenfalls mit Glasfaserfiltern nach dem Beispiel des Reaktors 1 auszurüsten.

Durch die zweistufige Gestaltung des Kombi-Biogasreaktors wird das in der ersten Verarbeitungsstufe überwiegend erzeugte CO₂ ausgesondert sowie für bestimmte Funktionen des gesamten technologischen Verfahrensprozesses eingesetzt und belastet dadurch nicht mit seinem bis zu 40%igen Volumenanteil den Methangasgehalt. Der damit verbundene höhere Brennwert des Methangases läßt auch eine wirtschaftlichere Zwischenlagerung durch Volumenminderung zu.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander wesentlich sein.

Claims (3)

1. Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor zur Aufbereitung von insbesondere Gülle, gekennzeichnet dadurch, daß er aus einem Biogasreaktor (1) mit einer inneren ersten, im unteren Teil trichterformig ausgebildeten, Verarbeitungsstufe (2) besteht, in die über eine Zulaufpumpe (10) die Rohgülle eintritt und über angeordnete Heizungen (8) zur Einstellung der Prozeßtemperatur von unten nach oben geleitet wird, daß zur Vermeidung von Schwimmdeckenbildung im oberen Teil der ersten Verarbeitungsstufe eine Durchmischung (9) angeordnet ist und der obere Teil des Biogasreaktors (1) in einem CH₄-Gasraum (6) und einen CO₂-Raum (7), über bekannte Gasleiteinrichtungen beschickbar, aufgeteilt ist, daß der Biogasreaktor (1) zwischen dieser ersten Verarbeitungsstufe (2) und der Behälterinnenwand zu einer ringförmigen zweiten Verarbeitungsstufe (3) ausge­ bildet ist, die über Überleitungsöffnungen (12) mit der ersten Verarbeitungsstufe (2) miteinander verbunden ist, in der ring­ förmigen zweiten Verarbeitungsstufe (3) ein Anaerobfilter (4), bestehend aus auf Trägerrahmen montierten Glasfasern, stern­ förmig angeordnet ist und der untere Teil der zweiten Verar­ beitungsstufe (3) als Schlammbettreaktor (5) ausgebildet ist, daß bei Erreichung der Prozeßtemperatur der Gülle in der ersten Verarbeitungsstufe (2) über die Zulaufpumpe (10) erneut Roh­ gülle eingeleitet wird, die die versäuerte Gülle aus dem oberen Teil der ersten Verarbeitungsstufe (2) über die Überleitungs­ öffnungen (12) in die ringförmige zweite Verarbeitungsstufe (3) drückt, wo sie von oben nach unten den Anaerobfilter (4) durchläuft und sich im Schlammbettreaktor (5) absetzt und daß die Abführung der ausgefaulten Gülle, die Schlammumwälzung und der Impfgutrücklauf über Dickstoffpumpen (10) im unteren Teil des Biogasreaktors (1) erfolgt, die über Magnetventile (11) steuerbar sind.

2. Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Glasfasern in definierten Abständen mit weiteren Trägereinheiten verbunden sind, die im Anarobfilterbereich (4) an der Reaktorinnenwand eingehängt sind.

3. Zweistufiger Kombi-Biogasreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Biogasreaktor (1) bekannte Anlagenteile nachgeschaltet sind, bei denen die Ammoniak­ strippanlage (13) sowie die biologische Nachkläranlage (14) zur optimalen Gestaltung der Immobilisierungstechnik ebenfalls mit Glasfaserfiltern ausgerüstet sind.