EP1756021A1 - Verfahren und vergärungsanlage zum anaeroben vergären von biogenem abfall - Google Patents

Verfahren und vergärungsanlage zum anaeroben vergären von biogenem abfall

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EP1756021A1
EP1756021A1 EP05741235A EP05741235A EP1756021A1 EP 1756021 A1 EP1756021 A1 EP 1756021A1 EP 05741235 A EP05741235 A EP 05741235A EP 05741235 A EP05741235 A EP 05741235A EP 1756021 A1 EP1756021 A1 EP 1756021A1
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EP
European Patent Office
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fermentation
reactor
plant according
digestate
gas injection
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Withdrawn
Application number
EP05741235A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Hartmann
Hans Wüthrich
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP1756021A1 publication Critical patent/EP1756021A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/71—Feed mechanisms
    • B01F35/712—Feed mechanisms for feeding fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/60—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis
    • B01F27/70—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis with paddles, blades or arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/71—Feed mechanisms
    • B01F35/715—Feeding the components in several steps, e.g. successive steps
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    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements
    • C12M27/06—Stirrer or mobile mixing elements with horizontal or inclined stirrer shaft or axis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/22—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes in contact with the bioreactor walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/04—Phase separators; Separation of non fermentable material; Fractionation
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    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/20—Sludge processing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/40—Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse

Definitions

  • the invention relates to a method for the anaerobic fermentation of biogenic waste according to the preamble of claim 1 and a fermentation plant, in particular for performing such a method.
  • MTT mechanical biological treatment
  • the biogenic mass is broken down microbially, and a distinction can be made between aerobic and anaerobic microorganisms.
  • the aerobic conversion ultimately leads to the end products carbon dioxide and water and is called rotting.
  • the anaerobic conversion is typical for fermentation, the end products being methane, ammonia and hydrogen sulfide.
  • DE 196 48 731 A1 describes an aerobic process in which the organic constituents of a waste fraction are washed out in a percolator and the residue is, for example, burned or deposited after drying.
  • Percolation can take place, for example, in a box percolation plant according to WO 97/27158 AI.
  • Experiments with a boiling-point heating system according to DE 101 42 906 AI, in which percolation is carried out in the boiling range of the process water, have also proved to be very promising.
  • the organically highly contaminated outlet water drawn off from the percolator is fed to an anaerobic decomposition of a biogas plant, the organic part being converted by means of methane bacteria and being able to be fed to a biogas combustion for energy generation via a gas generation line.
  • the above-described aerobic treatment of waste materials in a percolator has proven to be extremely competitive with the anaerobic processes and is becoming increasingly important.
  • EP 0 192 900 B1 describes the so-called Valorga process - in which the fermentation takes place in a fermenter which is fed from below.
  • the waste to be processed is carried in the form of a plug to a discharge which is arranged below the radially outer inlet opening.
  • the waste is conveyed by injecting compressed biogas through gas nozzles arranged in several sectors of the fermenter, each sector being individually controllable in order to maintain the plug flow of the waste between the inlet opening and the discharge opening.
  • EP 0 476 217 A1 discloses a heatable fermenter in which fresh material and digested material are fed to the fermenter as bacterial inoculum and the resulting digested material is transported to a digested material discharge via a stirrer. Such addition of inoculum can also be provided in the Valorga method described at the outset according to EP 0 192 900 B1.
  • DE 196 24 268 AI discloses a fermentation process for waste in flowable form, ie with a dry matter content (TS) of less than 25%.
  • a multi-chamber reactor is used, with the fermentation material being transported from an inlet opening through the chambers through to a discharge opening via an agitator.
  • a common gas space is assigned to the multi-chamber reactor, from which the biogas generated during the fermentation process is drawn off.
  • the metabolism in the individual chambers can be individually controlled by different process control, for example via heat exchangers, adding inoculum, etc.
  • EP 0 794 247 A1 discloses a fermenter in which the digestate is introduced into a rotating drum in which a spiral is arranged.
  • the digestate is guided in a plug-shaped manner from the inlet to the digestate discharge via this spiral. This promotion can be done by rotating the drum back and forth, with the forward rotation, i. H. the transport of the digestate in the direction of the digestate discharge takes longer than in the opposite direction, so that a predetermined dwell time of the digestate is achieved.
  • the invention has for its object to provide a method for the anaerobic fermentation of biogenic waste and a fermentation plant with which the dwell time can be reduced significantly compared to conventional solutions.
  • the anaerobic fermentation reactor (fermenter) is provided with a plurality of inlet openings and fermentation material discharge openings via which fresh material or fermentation material (the latter as inoculation material) can be supplied or fermentation material can be withdrawn.
  • fresh material or fermentation material the latter as inoculation material
  • fermentation material can be withdrawn.
  • the metabolic process can be controlled so that the concentration of organic acids and ammonium within the fermentation reactor can be largely evened out.
  • different concentrations occur in the different sections of the length of the reactor, which sensitively inhibit the fermentation process or even bring it to a standstill and thus considerably increase the residence time.
  • the digestate is partially mixed and mixed Inoculation mass input along the flow path of the waste to be treated within the reactor - this means that the residence time can be reduced to a fraction of the residence times required in the prior art. It is to be expected that the residence time in the solution according to the invention is less than two days.
  • the fermentation material is mixed within the fermentation reactor by means of a mechanical stirrer and / or by biogas injection, so that the fermentation process is further improved.
  • the biogas is preferably pressed into the fermentation reactor via gas injection nozzles arranged in the reactor bottom.
  • the gas injection nozzles are preferably combined in fields and controlled in succession.
  • the gas injection is controlled in such a way that the floating blanket is broken open in the area of the respective controlled field.
  • the interfering / heavy substances are conveyed to and removed from the middle of the fermentation reactor via two conveying devices.
  • the fresh material / fermentation material is preferably fed and discharged via a central conveying station, via which the flow paths to and from the inlet / discharge openings can be reversed and thus correspondingly varying material flow profiles can be formed in the fermentation reactor.
  • the formation of this material flow profile is supported by an agitator, whose direction of rotation can be reversed during the fermentation process.
  • adjacent agitator blades of the agitator overlap in the axial direction, so that complete mixing of the reactor contents is ensured.
  • the agitator can be made particularly simple if its agitator shaft is mounted on both sides in the reactor and the diameter is dimensioned such that the agitator shaft is adequately supported by the buoyancy generated in the reactor.
  • the fermentation reactor is preferably arranged horizontally and has a round or approximately trapezoidal cross section. In the latter case, two inclined surfaces and a horizontal surface arranged between them are formed in the region of the reactor floor.
  • the gas injection nozzles for injecting biogas are arranged in the area of the two inclined surfaces.
  • the gas injection nozzles in the vertical direction i. H. open parallel to the vertical axis of the reactor or perpendicular to the inclined surfaces.
  • the jacket of the fermenter can be heated to set an optimal operating temperature.
  • a separate fresh material feed can also be provided be, via which fresh material can be fed regardless of the conveyor station.
  • the fermentation plant according to the invention is particularly simple to assemble if the fermentation reactor is composed of transportable segments which are then assembled on site at the construction site.
  • FIG. 1 shows a process diagram of the process according to the invention for the anaerobic fermentation of biogenic waste with a fermentation reactor according to the invention
  • FIG. 2 shows a side view of the fermentation reactor from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a side view of a further exemplary embodiment of a fermentation reactor and
  • FIG. 4 shows a sectional top view of the fermentation reactor from FIG. 3;
  • 5 shows the fermentation reactor from FIG. 3 in segment construction and
  • FIG. 6 shows the fermentation reactor from FIG. 2 in segment construction and with a heavy material discharge system.
  • FIG. 1 shows the process diagram of a process according to the invention for the anaerobic fermentation of biogenic waste.
  • the fresh material 1 supplied contains, for example, domestic waste (residual waste) with a comparatively high organic content, organic waste from the separate collection, organically highly contaminated waste from the local ing industry and superimposed food, slaughterhouse waste, organically enriched food such as B. Active sludge from sewage treatment plants. Impurities 2 as well as impurities / heavy substances 4 occurring in the process steps described in more detail below are removed from this fresh material 1 and the remaining fresh material 1 is fed to a fermentation reactor 16. This produces fermentation gases as a metabolic product from the fermentation process, in particular biogas 3 (methane gas), which is drawn off overhead.
  • biogas 3 methane gas
  • digestate largely freed from the organic constituents is discharged after the fermentation process has ended and is subjected to further treatment such as dewatering, drying or composting. According to the legal regulations, digestate must be landfilled or incinerated from residual waste or at least processed into alternative fuels. Fermented material from organic waste or renewable raw materials can be used as a fertilizer or soil conditioner after dewatering and post-composting.
  • the incoming fresh material is thus broken down into disruptive / heavy substances 2, 4, digestate 5 and biogas 3.
  • the fresh material 1 supplied is first fed to a mechanical acceptance and processing system 8, which is sorted, comminuted and the contaminants 2 are discharged. Furthermore, this plant and preparation plant 8 unpacks superimposed foodstuffs and admixes and conditions additives and liquid waste, by means of which the dry matter content is adjusted.
  • the processed and conditioned fresh material is then fed to a pump reservoir 9 and mixed there if necessary with dirty water 7, which Material cleaning according to FIG. 6 occurs, as will be described in more detail below.
  • the storage container 9 is connected via a line 12 and slide 11 to a central pumping / delivery station 10, via which practically all the essential material flows of the system are controlled.
  • the pumping / delivery station 10 can be operated both in the suction and in the pressure mode, so that either fresh material 1 is conveyed from the storage container 9 via lines 14 and suitably set sliders 11 to inlet openings 15 or fermentation material 5 via the lines 14 and correspondingly reversed slides 11 and disruptive / heavy goods can be withdrawn from the fermentation reactor 16 via a central discharge opening 16.3.
  • the fermentation reactor 16 has an approximately cylindrical structure and is arranged horizontally, with a large number of inlet and discharge openings 15 and the central discharge opening 16.3 being provided along its outer diameter and its length.
  • the inlet / discharge openings 15 can be used as an inlet opening for the fresh material or discharge opening for digestate.
  • this suitable control can be used to set a desired material flow between the inlet / discharge openings 15, which is selected such that optimal mixing of the fermentation material is ensured.
  • the pumping / delivery station 10 also makes it possible to draw off fermentation material, for example, via one of the inlet / discharge openings 15 and then to feed it in again as inoculation material via another of the inlet / discharge openings 15.
  • the flow guidance is for example se so chosen that no significant differences in concentration of organic acids and ammonium occur within the reactor, so that the fermentation process can proceed in the predetermined manner.
  • the pumping / conveying station 10 preferably uses rotary piston displacement or suction / pressure vessel systems as conveying members, which are used, for example, in agriculture or for sewer cleaning.
  • the following functions can then in principle be carried out via the pump / delivery station 10: a) suction of fresh material 11 from the storage container 9 via the line 12; b) introduction of fresh material 1 from the template 9 into the reactor 16 via the inlet and outlet openings 15 or c) circulation of the reactor contents or fermentation sludge 20 at different points in the reactor 16 and in different directions via the inlet and outlet openings 15 and suitable slide positions 11 and through the lines 14.
  • the cylindrical, lying fermentation reactor 16 shown in FIGS. 1 and 2 has an agitator 22 which is driven by two geared motors 22.1 which are supported on the end face of the reactor 16 and are torque-supported. These are controlled by frequency converters and can therefore be periodically reversed and / or depending on other operating parameters in their direction of rotation.
  • agitator shaft 22.4 are evenly distributed on the circumference or lying in one plane Agitator arms 22.2 attached, which extend in the radial direction outwards to the peripheral wall of the fermentation reactor.
  • axially parallel agitator blades 22.3 are fastened, the radial length of the agitator arms 22.2 being selected such that the agitator blades 22.3 slip over the digestate level 20.1 during rotation, so that a floating blanket that forms is destroyed or at least mixed.
  • the axial length of the fermentation reactor 16 can easily be more than 30 meters. Since the aim of the invention is to provide as few internals as possible in the fermentation reactor 16, an agitator shaft 22.4 is dimensioned such that it is supported by the buoyancy of the fermentation sludge 20 in the fermentation reactor 16 and thus cannot sag - it can therefore be complicated to store within the Reactor room to be dispensed with.
  • a gas space 3.1 is formed in the fermentation reactor 16, which opens into a gas dome 3.2 from which the biogas 3 is drawn off.
  • two sediment discharge devices are provided, which in the embodiment shown in FIG. 1 are designed as two interacting moving floors 23. These convey the sediments in the axial direction to the centrally arranged discharge opening 16.3, through which the sediments (heavy / contaminants) can be discharged.
  • the two moving floors 23 are each driven by a cylinder / piston unit 23.1 which can be actuated electrically or hydraulically. Via this cylinder / piston unit 23.1, the push floors 23 perform strokes in the direction of the arrows 23.2 in order to move the suspended matter in the direction of the discharge opening. to promote 16.3.
  • the agitator blades 22.3 end somewhat above the push floors 23, so that the suspended matter is conveyed downwards by the agitator 22 within the reactor.
  • the gas space 3.1 is secured by a safety device 33 so that no excess pressure can build up.
  • the above-mentioned control of the geared motors 22.1 of the agitator 22 is designed such that by reversing the direction of rotation and suitable timing, the sediments 4 are evenly introduced into a discharge shaft of the moving floors 23 from both sides.
  • a jacket 16.1 of the fermentation reactor 16 is provided with an insulation 16.1 in order to maintain a predetermined fermentation temperature.
  • This fermentation temperature can be set by means of heating pockets 18 (FIG. 2), which are distributed on the outer circumference of the fermentation reactor 16 and can be controlled via the system control so that the predetermined temperature profile is set within the reactor.
  • fresh material can also be supplied via a direct loading.
  • This fresh material is branched off downstream of the storage container 9 via a correspondingly adjusted slide 11 and heated to the process temperature by means of a heat exchanger 17.
  • the heat exchanger 17 is surrounded by a heating jacket 17.3 and has a guide tube 17.2 heated thereby, in which a conveying spiral 17.1 is arranged, via which the fresh material is drawn in and conveyed onward.
  • the fresh material 1 heated to the process temperature is then over a further slide 11 and for example a spiral conveyor 32 conveyed into the interior of the reactor, the spiral conveyor 32 below the digestate level
  • Preheated fresh material can be branched off downstream of the heat exchanger 17 via a further slide 11 and guided to the central pumping / delivery station 10 via a branch line 13.
  • the discharge opening 16.3 can be formed by three or more parallel discharge regions 16.3a, 16.3b, 16.3c, via which the sediments conveyed by the push floors 23 are pushed towards the by means of slides 11a, 11b, 11c Delivery lines 14 can be discharged.
  • FIG. 2 also shows very clearly that the agitator blades 22.3 scoop the sediments to the push floors 23 and, depending on the control of the slide 11 via the pumping / delivery station 10, 16 different digestate flow directions within the fermentation reactor
  • the cylindrical reactor shape described above is comparatively easy to manufacture and is superior to other solutions in terms of compressive strength. Under certain conditions, however, it may also be necessary to design the fermentation reactor 16 with a different geometry. Such an embodiment is illustrated in Figures 3 and 4.
  • the fermentation reactor 16 has an approximately rectangular cross section, the bottom being formed by two inclined surfaces 16.4 which are horizontal over one extending horizontal surface 16.5 are interconnected.
  • the two sliding floors 23 and the discharge openings 16.3a, b, c are formed in the area of this horizontal surface 16.5.
  • the inlet and discharge openings 15 are then located in the vertically extending side walls of the fermentation reactor 16.
  • the material flows are controlled - as in the exemplary embodiment described above - via the central pump / delivery station 10, so that different material flow paths 20.2 can in turn be set within the fermentation reactor 1.
  • a gas injection system is used instead of a mechanical agitator 22, i.e. a pneumatic agitator is used.
  • the gas injection system has a plurality of nozzles 30.1, which preferably open into the inclined surfaces 16.4 of the fermentation reactor 16.
  • nozzles 30.1 which preferably open into the inclined surfaces 16.4 of the fermentation reactor 16.
  • two different nozzle mouth areas are shown.
  • the nozzles 30.1 run approximately perpendicular to the inclined surface 16.4, while the nozzles 30.1 in the right part are arranged parallel to the vertical axis (vertical in FIG. 3) of the fermentation reactor 16. I.e. If the nozzles 30.1 are arranged as shown in FIG. 3 on the left, the injected gas flows obliquely to the vertical axis into the reactor space, while in the embodiment shown on the right it is pressed in parallel to the vertical axis.
  • Biogas is used for the pneumatic conveying and circulation of the fermentation sludge 20
  • Compressor 26 is sucked out of the gas dome 3.2 and then passed via a gas injection line 27 and a plurality of control valves 28, 29 and connected branch lines to a respective nozzle array 30, which each consists of a plurality of nozzles 30.1.
  • the fields 30 are arranged one behind the other along the inclined surfaces 16.4 in the longitudinal direction of the reactor (perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 3), each field 30 being able to be charged with biogas separately via the system control.
  • the compressor 26 is arranged by the dimension H4 above the digestate level 20.1, so that when the compressor 26 is at a standstill no digestate 20 can enter the compressor via the gas injection line 27.
  • the minimum gas pressure required to circulate the fermentation sludge 20 corresponds approximately to the barometric height (H2 x 1.5 (bar)) of the fill level that is required to overcome the pipeline resistance.
  • the number of gas injection nozzles 30.1 per nozzle field 30 also depends on the dimensions x, y, that is, the length and width of the nozzle fields 30, 8 to 16 nozzles being arranged per m 2 of floor area depending on the height H2.
  • the fields 30 are acted upon in succession with compressed gas in the longitudinal direction.
  • the fermentation sludge 20 is displaced by the rising gas bubble and moved in the arrow direction according to FIG. 3 by the resulting suction, the nozzles 30.1 opening in the vertical direction initially ensuring an upward flow, while the obliquely opening nozzles 30.1 deflect the digestate flow to the right.
  • the circulation can also take place opposite to the direction of the arrow.
  • the exposure time via the nozzles 30.1 depends on the container height H2, H3 and the set solids content (TS).
  • Each field 30 is gassed until an emerging floating cover 31.1 is torn open.
  • the settling of the flow shown in FIG. 3 causes the sediments to settle on the inclined surfaces 16.4 and, due to the gradient, are conveyed to the two push floors 23, via which the sediments are conveyed to the centrally arranged discharge openings 16.3.
  • the fermentation reactor 16 can be made with a considerable length (30 m). It is therefore not possible to transport the finished reactor vessel to the construction site. So far, this has to be manufactured on site, ie on the construction site, so that a considerable amount of production is required.
  • the fermentation reactor 16 is produced from a large number of road-transportable elements, which are then assembled on the construction site with comparatively little effort.
  • the container length L1 is divided into transportable elements with a length of approx. 12 to 15 m and a width bl of approx. 3 to 4 m.
  • the overall height H1 corresponds approximately to a transport length of approximately 15 m with a width B1 (corresponds to the width of the inclined surfaces 16.4 and the horizontal surface 16.5 in the horizontal direction) of approx. 4 m.
  • the container is subdivided into a large number of segments, each of which has a width b1 of 3 to 4 m and the aforementioned length of approximately 12 to 15 m, so that a comparatively simple transport to the construction site and quick assembly take place Location is enabled.
  • FIG. 6 shows an example of a heavy material discharge device.
  • the heavy materials deposited by the action of the mechanical agitator 22 or by the pneumatic conveyance via the nozzles 30.1 and conveyed from the push floors 23 to the centrally arranged discharge openings 16.3 first reach a discharge spiral conveyor 24 which enters an inclined conveyor 25.
  • the heavy materials 4 are conveyed obliquely upwards to a washing installation 25.1, which is located above the digestate level 20.1.
  • the contaminated heavy substances 4 are conveyed through a sieve basket which is charged with cleaning water 6 from the outside, through which the contaminants are rinsed out, so that cleaned heavy substances 4.1 are discharged.
  • the contaminated cleaning water 7 is returned to the storage container 9 - (see FIGS. 1 and 2) and used there to adjust the TS content.
  • the cleaned heavy materials 4.1 can be landfilled or used for other purposes. For example, process water or fresh water can be used as cleaning water 6.
  • the digestate 5 obtained in the upcoming processes is a further treatment, for example one Dewatering, drying or composting.
  • a mechanical stirrer can also be added to the gas inlet nozzles according to FIG. 3.
  • the gas injection nozzles can also be used in a fermentation reactor with a round cross section according to FIG. 1.
  • a process for the anaerobic fermentation of biogenic waste and a fermentation plant for carrying out this process are disclosed.
  • the fresh material ie the biogenic waste to be treated
  • the fresh material is fed in via a plurality of inlet openings distributed along the reactor height and / or reactor length and / or fermentation material is drawn off via a plurality of fermentation material discharge openings.

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Abstract

Offenbart sind ein Verfahren zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall und eine Vergärungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß wird das Frischgut, d. h. der zu behandelnde biogene Abfall, über mehrere, entlang der Reaktorhöhe und / oder Reaktorlänge verteilte Eintrittsöffnungen zugeführt und / oder Gärgut über mehrere Gärgutaustragsöffnungen abgezogen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vergärungsanlage zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vergärungsanlage, insbesondere zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Mit der Einführung der getrennten Sammlung von organischen Haushaltsabfällen in Europa hat die mechanisch biologische Aufbereitung (MBA) von Siedlungsabfällen zunehmende Bedeutung erlangt . Der Abbau der biogenen Masse erfolgt mikrobiell wobei zwischen aeroben und anaeroben Mikroorganismen unterschieden werden kann. Die aerobe Umsetzung führt letztendlich zu den Endprodukten Kohlenstoffdioxid und Wasser und wird als Verrottung bezeichnet. Die anaerobe Umsetzung ist typisch für die Vergärung, als Endprodukte entstehen unter anderem Methan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff.
In der DE 196 48 731 AI wird ein aerobes Verfahren beschrieben, bei der die organischen Bestandteile einer Abfallfraktion in einem Perkolator ausgewaschen werden und der Rückstand nach einer Trocknung beispielsweise verbrannt oder deponiert wird.
Die Perkolation kann beispielsweise in einer Kasten- perkolationsanlage gemäß der WO 97/27158 AI erfolgen. Vielversprechend erwiesen sich auch Versuche mit einer Siedeperkolationsanlage gemäß der DE 101 42 906 AI, bei der die Perkolation im Siedebereich des Prozesswassers betrieben wird. Das vom Perkolator abgezogene organisch hochbelastete Austrittswasser wird zum anaeroben Abbau einer Biogasanlage zugeführt, wobei der Organikanteil mittels Methanbakterien umgesetzt und zur Energieerzeugung über eine Gaserzeugungsleitung einer Biogasverbrennung zuführbar ist. Die vorbeschriebene aerobe Behandlung der Abfallstoffe in einem Perkolator hat sich als äußerst konkurrenzfähig zu den anaeroben Verfahren erwiesen und gewinnt zunehmend an Bedeutung.
In der EP 0 192 900 Bl ist das sogenannte Valorga- Verfahren beschrieben - bei dem die Vergärung in einem Fermenter erfolgt, der von unten beschickt wird. Der aufzubereitende Abfall wird pfropfenförmig zu einem Austrag geführt, der unterhalb der radial außenliegenden Eintrittsöffnung angeordnet ist. Die Förderung des Abfalls erfolgt durch Einblasen von komprimiertem Biogas über Gasdüsen, die in mehreren Sektoren des Fermenters angeordnet sind, wobei jeder Sektor einzeln angesteuert werden kann, um die Pfropfenströmung des Abfalls zwischen der Eintrittsöffnung und der Austragsöffnung aufrecht zu erhalten.
In der EP 0 476 217 AI ist ein beheizbarer Fermenter offenbart, in dem Frischgut und Faulgut als Bakterien- Impfgut dem Fermenter zugeführt und das entstehenden Faulgut über ein Rührwerk zu einem Faulgutaustrag transportiert werden. Eine derartige Zugabe von Impfgut kann auch bei dem eingangs beschriebenen Valorga-Verfahren gemäß der EP 0 192 900 Bl vorgesehen sein.
In der DE 196 24 268 AI ist ein Gärverfahren für Abfälle in fließfähiger Form, d. h. mit einem Trockensubstanzgehalt (TS) von weniger als 25 % offenbart. Dabei wird ein Mehrkammerreaktor verwendet, wobei der Transport des Gärguts von einer Eintrittsöffnung durch die Kammern hindurch zu einer Austragsöffnung über ein Rührwerk erfolgen kann. Dem Mehrkammerreaktor ist ein gemeinsamer Gasraum zugeordnet, aus dem das während des Gärprozesses entstehende Biogas abgezogen wird. Der Stoffwechsel lässt sich in den einzelnen Kammern durch unterschiedliche Prozessführung, beispielsweise über Wärmetauscher, Zugabe von Impfgut usw. individuell steuern.
Die EP 0 794 247 AI offenbart einen Fermenter, bei dem das Gärgut in eine rotierende Trommel eingebracht wird, in der eine Spirale angeordnet ist. Über diese Spirale wird das Gärgut pfropfenförmig vom Eintritt zum Faulgutaustrag geführt. Diese Förderung kann durch Vor- und Rückwärtsdrehen der Trommel erfolgen, wobei die Vorwärtsdrehung, d. h. der Transport des Gärguts in Richtung Gärgutaustrag zeitlich länger erfolgt als in Gegenrichtung, so dass eine vorbestimmte Verweilzeit des Gärguts erreicht wird.
Da der zu behandelnde Abfall auch einen nicht unerheblichen Anteil an Schwer- und Störstoffen enthält, sind insbesondere die Lösungen mit mechanischen Fördermitteln (EP 0 794 247 AI, EP 0 476 217 AI, DE 196 24 268 AI) relativ starkem Verschleiß unterworfen, da die eingesetzten Fördermittel und sonstigen Einbauten durch die Sedimente mit den Stör- /Schwerstoffen beschädigt werden können.
Des Weiteren setzen alle Gärprozesse sehr lange Verweilzeiten zwischen 18 bis 30 Tagen voraus. Derartige Verweilzeiten erfordern wiederum eine erhebliche Pufferkapazität .
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall sowie eine Vergärungsanlage zu schaffen, mit denen die Verweilzeit gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich verringerbar ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmalskombi ation des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vergärungsanlage durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß ist der Anaerob-Gärreaktor (Fermenter) mit mehreren Eintrittsöffnungen und Gärgut- Austragsöffnungen versehen, über die Frischgut oder Gärgut (letzteres als Impfmaterial) zugeführt bzw. Gärgut abgezogen werden kann. Durch diese Vielzahl von Eintritts- und Austragsöffnungen kann der Stoffwechselpro- zess so gesteuert werden, dass die Konzentration von organischen Säuren und Ammonium innerhalb des Gärreaktors weitestgehend vergleichmäßigt werden kann. Bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen Lösungen mit Pfropfenströmung stellt sich dagegen in den verschiedenen Längenabschnitten des Reaktors unterschiedliche Konzentrationen ein, die den Gärprozess empfindlich hemmen oder sogar zum Stillstand bringen und somit die Verweilzeit erheblich verlängern.
Unterstützt wird dies beim Stand der Technik dadurch, dass die Animpfung mit aktiver Bakterienmasse oder ggf. eine Verdünnung mit Presswasser ausschließlich im Bereich der Eintrittsöffnungen erfolgt und während der gesamten Durchlaufzeit Kanalbildungen und somit Kurzschlussströmungen zwischen Eintritts- und Austrittsseite vermieden werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung mit Frischgut- /Impfgutzufuhr über mehrere Eintrittsöffnungen und ggf. auch einem Austragen von Gärgut über mehrere Austragsöff- nungen erfolgt eine Teildurchmischung des Gärguts und ein Impfmasseneintrag entlang des Strömungsweges des zu behandelnden Abfalls innerhalb des Reaktors - dies führt dazu, dass die Verweilzeit auf ein Bruchteil der beim Stand der Technik erforderlichen Verweilzeiten reduziert werden kann. Es ist zu erwarten, dass die Verweilzeit bei der erfindungsgemäßen Lösung bei weniger als zwei Tagen liegt.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Gärgut innerhalb des Gärreaktors über ein mechanisches Rührwerk und / oder durch Biogaseinpressung durchmischt, so dass der Gärprozess nochmals verbessert ist .
Dabei ist es besonders bevorzugt, die Drehrichtung des Rührwerks während des Gärprozesses umzusteuern, um die Durchmischung weiter zu verbessern.
Das Biogas wird vorzugsweise über im Reaktorboden angeordnete Gaseinpressdüsen in den Gärreaktor eingepresst. Die Gaseinpressdüsen werden dabei vorzugsweise feldweise zusammengefasst und aufeinanderfolgend angesteuert. Die Gaseinpressung wird so gesteuert, dass die Schwimmdecke im Bereich des jeweils angesteuerten Feldes aufgebrochen wird.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Stör-/Schwerstoffe über zwei Fördereinrichtungen zur Mitte des Gärreaktors gefördert und abgezogen.
Die Zuführung und der Austrag des Frischguts / Gärguts erfolgt vorzugsweise über eine zentrale Förderstation, über die die Strömungspfade zu und von den Eintritts-/Austragsöffnungen umsteuerbar sind und somit im Gärreaktor entsprechend variierende StoffStrömungsprofile ausgebildet werden können. Die Ausbildung dieses StoffStrömungsprofils wird durch ein Rührwerk unterstützt, dessen Drehrichtung während des Gärprozesses umsteuerbar ist.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung überlappen sich benachbarte Rührwerksschaufeln des Rührwerks in Axialrichtung, so dass eine vollständige Vermischung des Reaktorinhalts gewährleistet ist.
Das Rührwerk kann besonders einfach ausgebildet werden, wenn dessen Rührwelle beidseitig im Reaktor gelagert ist und der Durchmesser so dimensioniert ist, dass die Rührwelle durch den im Reaktor entstehenden Auftrieb hinreichend abgestützt ist.
Der Vergärungsreaktor wird vorzugsweise liegend angeordnet und hat einen runden oder etwa trapezförmigen Querschnitt. Im letztgenannten Fall sind im Bereich des Reaktorbodens zwei Schrägflächen und eine dazwischen angeordnete Horizontalfläche ausgebildet.
Die Gaseinpressdüsen zum Einpressen von Biogas werden bei einem Reaktor mit trapezförmigem Querschnitt im Bereich der beiden Schrägflächen angeordnet.
Dabei können die Gaseinpressdüsen in Vertikalrichtung, d. h. parallel zur Reaktorhochachse oder senkrecht zu den Schrägflächen einmünden.
Zur Einstellung einer optimalen Betriebstemperatur kann der Mantel des Fermenters beheizt werden.
In dem Fall, in dem die Steuerung der Stoffströme über eine zentrale Förderstation erfolgt, kann zusätzlich noch eine eigene Frischgutdirektbeschickung vorgesehen sein, über die unabhängig von der Förderstation Frischgut zuführbar ist.
Die Montage der erfindungsgemäßen Vergärungsanlage ist besonders einfach, wenn der Gärreaktor aus transportfähigen Segmenten zusammengesetzt ist, die dann vor Ort, auf der Baustelle zusammengesetzt werden.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall mit einem erfindungsgemäßen Gärreaktor;
Figur 2 eine Seitenansicht des Gärreaktors aus Figur l; Figur 3 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gärreaktors und Figur 4 eine geschnittene Draufsicht auf den Gärreaktor aus Figur 3 ; Figur 5 den Gärreaktor aus Figur 3 in Segmentbauweise und Figur 6 den Gärreaktor aus Figur 2 in Segmentbauweise und mit einer Schwerstoffaustraganlage .
In Figur 1 ist das Verfahrensschema eines erfindungs- gemäßen Verfahrens zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall dargestellt. Das zugeführte Frischgut 1 enthält beispielsweise Hausmüll (Restmüll) mit einem vergleichsweise hohen Organikanteil, Biomüll aus der getrennten Sammlung, organisch hochbelastete Abfälle aus der Nah- rungsindustrie und überlagerte Lebensmittel, Schlachtabfälle, organisch angereicherte Schlemme wie z. B. Aktivschlämme aus Kläranlagen. Aus diesem Frischgut 1 werden Störstoffe 2 sowie bei im Folgenden näher beschriebenen Verfahrensschritten anfallende Stör-/Schwerstoffe 4 ausgeschleust und das verbleibende Frischgut 1 einem Gärreaktor 16 zugeführt. In diesem entstehen als Stoff- Wechselprodukt aus dem Gärprozess Gärgase, insbesondere Biogas 3 (Methangas) das über Kopf abgezogen wird. Das von den organischen Bestandteilen weitgehend entfrachtete Gärgut wird nach Beendigung des Gärungsprozesses ausgetragen und einer weiteren Behandlung wie beispielsweise einer Entwässerung, einer Trocknung oder Kompostierung zugeführt. Gemäß den gesetzlichen Vorschriften muss Gärgut aus Restmüll deponiert oder verbrannt werden oder zumindest zu Ersatzbrennstoffen aufbereitet werden. Gärgut aus Biomüll oder nachwachsenden Rohstoffen kann nach der Entwässerung und Nachkompostierung als Dünger oder Bodenverbesserungsmittel verwendet werden.
Gemäß Figur 1 wird somit das eintretende Frischgut in -Stör-/Schwerstoffe 2, 4, Gärgut 5 und Biogas 3 aufgeschlossen.
Dabei wird das zugeführte Frischgut 1 zunächst einer mechanischen Annahme- und Aufbereitungsanlage 8 zugeführt, der eine Sortierung, Zerkleinerung und die Aus- schleusung der Störstoffe 2 erfolgt. Des weiteren erfolgt in dieser Anlage- und Aufbereitungsanlage 8 eine Ent- packung von überlagerten Lebensmitteln sowie eine Beimischung und Konditionierung von Zuschlagstoffen und flüssigen Abfällen, über die der TS-Gehalt eingestellt wird.
Das aufbereitete und konditionierte Frischgut wird dann einem Pumpenvorlagebehälter 9 zugeführt und dort ggf. mit Schmutzwasser 7 vermischt, das bei einer Schwer- Stoffreinigung gemäß Figur 6 anfällt, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der Vorlagebehälter 9 ist über eine Leitung 12 sowie Schieber 11 mit einer zentralen Pumpen-/Förderstation 10 verbunden, über die praktisch alle wesentlichen Stoffströme der Anlage gesteuert werden.
Die Pumpen-/Förderstation 10 lässt sich sowohl im Saug- als auch im Druckbetrieb betreiben, so dass entweder Frischgut 1 aus dem Vorlagebehälter 9 über Leitungen 14 und geeignet eingestellte Schieber 11 zu Eintrittsöffnungen 15 gefördert oder Gärgut 5 über die Leitungen 14 und entsprechend umgesteuerte Schieber 11 sowie Stör- /Schwergut über eine mittige Ausschleuseöffnung 16.3 aus dem Gärreaktor 16 abgezogen werden können.
Der Gärreaktor 16 hat gemäß den Figuren 1 und 2 einen etwa zylinderförmigen Aufbau und ist liegend angeordnet, wobei entlang seines Außendurchmessers und seiner Länge eine Vielzahl von Eingangs- und Austragsöffnungen 15 sowie die mittige Ausschleuseöffnung 16.3 vorgesehen sind. Die Eintritts-/Austragsöffnungen 15 lassen sich je nach Ansteuerung über die zentrale Pumpen-/Förderstation 10 und entsprechender Einstellung der Schieber 11 als Eintrittsöffnung für das Frischgut bzw. Austragsöffnung für Gärgut verwenden. Wie in Figur 2 gestrichelt angedeutet, lässt sich durch diese geeignete Ansteuerung eine gewünschter Stoffstrom zwischen den Eintritts- /Austragsöffnungen 15 einstellen, der so gewählt ist, dass eine optimale Durchmischung des Gärgutes gewährleistet ist. Die Pumpen-/Förderstation 10 ermöglicht es des Weiteren, Gärgut beispielsweise über eine der Eintritts- /Austragsöffnungen 15 abzuziehen und dann als Impfgut über eine andere der Eintritts-/Austragsöffnungen 15 wieder zuzuführen. Die Strömungsführung ist beispielswei- se so gewählt, dass sich innerhalb des Reaktors keine wesentlichen Konzentrationsunterschiede organischer Säuren und von Ammonium einstellen, so dass der Gärprozess in der vorbestimmten Weise ablaufen kann.
Als Förderorgane werden bei der Pumpen- /FörderStation 10 vorzugsweise Drehkolben- Verdränger- oder Saug- /Druckbehälteranlagen verwendet, welche beispielsweise in der Landwirtschaft oder zur Kanalreinigung eingesetzt werden. Durch geeignete Einstellung der Schieber 11 können dann im Prinzip über die Pumpen-/Förderstation 10 folgende Funktionen durchgeführt werden: a) Ansaugen von Frischgut 11 aus dem Vorlagebehälter 9 über die Leitung 12; b) Eintragen von Frischgut 1 aus der Vorlage 9 über die Ein- und Austragsöffnungen 15 in den Reaktor 16 oder c) Umwälzen des Reaktorinhalts oder Gärschlamms 20 an unterschiedlichen Stellen des Reaktors 16 und in verschiedenen Richtungen über die Ein- und Austragsöff- nungen 15 sowie geeignete Schieberstellungen 11 und durch die Leitungen 14.
Weitere Funktionen werden im folgenden noch anhand Figur 2 erläutert .
Der in Figur 1 und 2 dargestellte zylinderförmige, liegend angeordnete Gärreaktor 16 hat ein Rührwerk 22, das von zwei stirnseitig an dem Reaktor 16 gelagerten und Drehmoment abgestützten Getriebemotoren 22.1 angetrieben wird. Diese sind über Frequenzumrichter angesteuert und können somit periodisch und / oder in Abhängigkeit von sonstigen Betriebsparametern in ihrer Drehrichtung umgesteuert werden. An einer Rührwerkswelle 22.4 sind gleichmäßig am Umfang verteilte oder in einer Ebene liegende Rührwerksarme 22.2 befestigt, die sich in Radialrichtung nach außen hin zur Umfangswandung des Gärreaktors erstrecken. An den radial außenliegenden Endabschnitten der Rührwerksarme 22.2 sind jeweils achsparallel verlaufende Rührwerksschaufeln 22.3 befestigt, wobei die Radiallänge der Rührwerksarme 22.2 so gewählt ist, dass die Rührwerksschaufeln 22.3 während der Rotation den Gärschlammspiegel 20.1 überstreifen, so dass eine sich bildende Schwimmdecke zerstört oder zumindest durchmischt wird.
Bei großen Anlagen kann die die Axiallänge des Gärreaktors 16 ohne weiteres mehr als 30 Meter betragen. Da man erfindungsgemäß bestrebt ist, innerhalb des Gärreaktors 16 möglichst wenige Einbauten vorzusehen, wird eine Rührwerkswelle 22.4 so dimensioniert, dass sie durch den Auftrieb des Gärschlamms 20 im Gärreaktor 16 abgestützt ist und somit nicht durchhängen kann - es kann somit auf eine aufwendige Lagerung innerhalb des Reaktorraums verzichtet werden.
Oberhalb des Gärschlammspiegels 20.1 ist im Gärreaktor 16 ein Gasraum 3.1 ausgebildet, der in einen Gasdom 3.2 mündet, aus dem das Biogas 3 abgezogen wird. Am Reaktorboden sind 2 sind zwei Sinkstoff-Austrageinrichtungen vorgesehen, die bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als zwei zusammenwirkende Schubböden 23 ausgebildet sind. Diese fördern die Sinkstoffe in Axialrichtung hin zu der mittig angeordneten Ausschleuse- Öffnung 16.3, über die die Sinkstoffe (Schwer- /Störstoffe) ausgeschleust werden können. Der Antrieb der beiden Schubböden 23 erfolgt jeweils über eine Zylinder- /Kolbeneinheit 23.1, die elektrisch oder hydraulisch betätigbar ist. Über diese Zylinder-/Kolbeneinheit 23.1 führen die Schubböden 23 in den Pfeilrichtungen 23.2 Hübe durch, um die Sinkstoffe in Richtung der Ausschleuseöff- nung 16.3 zu fördern. Die Rührwerksschaufeln 22.3 enden in der Ansicht gemäß Figur 1 etwas oberhalb der Schubböden 23, sodass die Sinkstoffe durch das Rührwerk 22 innerhalb des Reaktors nach unten hin gefördert werden. Der Gasraum 3.1 ist über eine Sicherheitseinrichtung 33 abgesichert, so dass sich kein Überdruck aufbauen kann.
Die oben genannte Ansteuerung der Getriebemotoren 22.1 des Rührwerks 22 ist so ausgelegt, dass durch Umsteuerung der Drehrichtung und geeignete Zeittaktung die Sinkstoffe 4 gleichmäßig von beiden Seiten in einen Abzugsschacht der Schubböden 23 eingetragen werden.
Gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein Mantel 16.1 des Gärreaktors 16 mit einer Isolation 16.1 versehen, um eine vorbestimmte Gärtemperatur aufrechtzuerhalten. Diese Gärtemperatur lässt sich mittels Heiztaschen 18 (Figur 2) einstellen, die am Außenumfang des Gärreaktors 16 verteilt sind und über die Anlagensteuerung so ansteuerbar sind, dass sich innerhalb des Reaktors das vorbestimmte Temperaturprofil einstellt.
Wie Figur 2 entnehmbar ist, kann zusätzlich zu den über die zentrale Pumpen- und Förderstation 10 eingestellten Stoffsströmen (Frischgut, Gärgut, Impfgut) , die über die Eintritts- und Austrittsöffnungen 15 zugeführt bzw. ausgetragen werden, noch Frischgut über eine Direktbeschickung zugeführt werden. Dieses Frischgut wird stromabwärts des Vorlagebehälters 9 über einen entsprechend eingestellten Schieber 11 abgezweigt und mittels eines Wärmetauschers 17 auf Prozesstemperatur erwärmt. Der Wärmetauscher 17 ist mit einem Heizmantel 17.3 umgeben und hat ein dadurch beheiztes Führungsrohr 17.2, in dem eine Förderspirale 17.1 angeordnet ist, über die das Frischgut eingezogen und weitergefördert wird. Das auf die Prozesstemperatur erwärmte Frischgut 1 wird dann über einen weiteren Schieber 11 und beispielsweise einen Spiralförderer 32 in das Reaktorinnere gefördert, wobei der Spiralförderer 32 unterhalb des Gärschlammspiegels
20.1 einmündet .
Über einen weiteren Schieber 11 kann vorerwärmtes Frischgut stromabwärts des Wärmetauschers 17 abgezweigt und über eine Zweigleitung 13 zur zentralen Pump- /Förderstation 10 geführt werden. Aus der Darstellung gemäß Figur 2 sieht man, dass die Ausschleuseöffnung 16.3 durch drei oder mehrere parallele Ausschleusebereiche 16.3a, 16.3b, 16.3c ausgebildet sein kann, über die die von den Schubböden 23 geförderten Sinkstoffe mittels Schiebern 11a, 11b, 11c hin zu den Förderleitungen 14 ausgetragen werden können.
In Figur 2 ist auch sehr deutlich dargestellt, dass die Rührwerksschaufeln 22.3 die Sinkstoffe zu den Schubböden 23 schaufeln und je nach Ansteuerung der Schieber 11 über die Pump-/Förderstation 10 innerhalb des Gärreaktors 16 unterschiedliche Gärschlamm-Strömungsrichtungen
20.2 einstellbar sind, die zu einer intensiven Durchmischung und Konzentrationsvergleichmäßigung innerhalb des Gärreaktors 16 führen.
Die vorbeschriebene zylindrische Reaktorform ist vergleichsweise einfach herstellbar und hinsichtlich der Druckfestigkeit anderen Lösungen überlegen. Bei bestimmten Bedingungen kann es jedoch auch erforderlich sein, den Gärreaktor 16 mit einer anderen Geometrie auszubilden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 3 und 4 erläutert .
Demgemäß hat der Gärreaktor 16 einen etwa rechteck- förmigen Querschnitt, wobei der Boden durch zwei Schrägflächen 16.4 gebildet ist, die über eine horizontal verlaufende Horizontalfläche 16.5 miteinander verbunden sind. Im Bereich dieser Horizontalfläche 16.5 sind die beiden Schubböden 23 und die Ausschleuseöffnungen 16.3a, b, c ausgebildet.
Die Eintritts- und Austragsöffnungen 15 befinden sich dann in den sich in Vertikalrichtung erstreckenden Seitenwandungen des Gärreaktors 16.
Die Steuerung der Stoffströme erfolgt - wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel - über die zentrale Pumpen-/Förderstation 10, sodass sich innerhalb des Gärreaktors 1 wiederum unterschiedliche StoffStrömungspfade 20.2 einstellen lassen.
Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausführungbeispiel, wird gemäß der in Figuren 3 und 4 dargestellten Lösung anstelle eines mechanischen Rührwerks 22 eine Gaseinpressanlage verwendet, d.h., es wird eine pneumatische Rührung eingesetzt.
Die Gaseinpressanlage hat eine Vielzahl von Düsen 30.1, die vorzugsweise in den Schrägflächen 16.4 des Gärreaktors 16 münden. In Figur 3 sind zwei unterschiedliche Düsenmündungsbereiche dargestellt. Im linken Teil von Figur 3 verlaufen die Düsen 30.1 etwa senkrecht zur Schrägfläche 16.4, während die Düsen 30.1 im rechten Teil parallel zur Hochachse (vertikal in Figur 3) des Gärreaktors 16 angeordnet sind. D. h. , bei einer Anordnung der Düsen 30.1 wie in Figur 3 links dargestellt, strömt das eingepresste Gas schräg zur Hochachse in den Reaktorraum, während es bei dem rechts dargestellten Ausführungsbei- spiel parallel zur Hochachse eingepresst wird.
Zur pneumatischen Förderung und Umwälzung des Gärschlamms 20 wird Biogas verwendet, das mittels eines Verdichters 26 aus dem Gasdom 3.2 angesaugt und dann über eine Gaseinpressleitung 27 sowie über mehrere Steuerventile 28, 29 und daran angeschlossene Zweigleitungen zu jeweils einem Düsenfeld 30 geleitet wird, das jeweils aus einer Vielzahl von Düsen 30.1 besteht.
Wie insbesondere aus der Draufsicht in Figur 4 hervorgeht, sind die Felder 30 entlang den Schrägflächen 16.4 in Längsrichtung des Reaktors (senkrecht zur Zeichenebene in Figur 3) hintereinanderliegend angeordnet, wobei jedes Feld 30 über die Anlagensteuerung getrennt mit Biogas beaufschlagbar ist. Der Verdichter 26 ist dabei um das Maß H4 oberhalb des Gärschlammspiegels 20.1 angeordnet, so dass bei einem Stillstand des Verdichters 26 kein Gärschlamm 20 über die Gaseinpressleitung 27 in den Verdichter eindringen kann.
Der minimale Gasdruck welcher zur Umwälzung des Gärschlamms 20 erforderlich ist, entspricht ca. der barometrischen Höhe (H2 x 1,5 (bar)) des Füllstandes, die erforderlich ist, um den Rohrleitungswiderstand zu überwinden. Die Anzahl der Gaseinpressdüsen 30.1 pro Düsenfeld 30 richtet sich auch nach den Abmessungen x, y, d. h. , der Länge und der Breite der Düsenfelder 30, wobei pro m2 Bodenfläche je nach Höhe H2 zwischen 8 bis 16 Düsen angeordnet werden.
Durch wechselseitiges Schalten der Steuerventile 28, 29 werden die Felder 30 in Längsrichtung nacheinander mit Druckgas beaufschlagt. Durch die aufsteigende Gasblase wird der Gärschlamm 20 verdrängt und durch den entstehenden Sog in der Pfeilrichtung gemäß Figur 3 bewegt, wobei die in Vertikalrichtung einmündenden Düsen 30.1 zunächst für eine aufwärtsgerichtete Strömung sorgen, während die schräg einmündenden Düsen 30.1 die Gärschlammströmung nach rechts hin ablenken. Durch geeignete Ansteuerung der Pumpen-/Förderstation 10 und der Gaseinpressdüsen 30.1 kann die Umwälzung auch entgegengesetzt zur Pfeilrichtung erfolgen.
Die Beaufschlagungszeit über die Düsen 30.1 richtet sich nach der Behälterhöhe H2 , H3 und dem eingestellten Feststoffgehalt (TS) . Jedes Feld 30 wird solange begast, bis eine entstehende Schwimmdecke 31.1 aufgerissen wird.
Durch die in Figur 3 dargestellte, sich einstellende Strömungsführung setzen sich die Sinkstoffe an den Schrägflächen 16.4 ab und werden aufgrund des Gefälles hin zu den beiden Schubböden 23 gefördert, über die die Sinkstoffe zu den mittig angeordneten Ausschleuseöffnungen 16.3 gefördert werden.
Die sonstige Strömungsführung entspricht derjenigen des Ausführungsbeispiels aus Figur 1, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Wie bereits erwähnt, kann der erfindungsgemäße Gärreaktor 16 mit einer erheblichen Länge (30m) ausgeführt sein. Ein Transport des fertiggestellten Reaktorbehälters zur Baustelle ist daher nicht möglich. Dieser muss bisher vor Ort, d. h. auf der Baustelle gefertigt werden, so dass ein erheblicher Fertigungsaufwand erforderlich ist. Erfindungsgemäß wird es vorgesehen, den Gärreaktor 16 aus einer Vielzahl von straßentransportfähigen Elementen herzustellen, die dann auf der Baustelle mit vergleichsweise geringem Aufwand zusammengesetzt werden. Dazu wird die Behälterlänge Ll in transportfähige Elementen mit einer Länge von ca. 12 bis 15m und einer Breite bl von ca. 3 bis 4m aufgeteilt. Bei dem rechteckförmigen Behälter gemäß den Figuren 3 und 5 entspricht die Bauhöhe Hl etwa einer Transportlänge von ca. 15m mit einer Breite Bl (entspricht Breite der Schrägflächen 16.4 und der Horizontalfläche 16.5 in Horizontalrichtung) von ca. 4m.
Beim runden Reaktor gemäß Figur 6 wird der Behälter in eine Vielzahl von Segmente unterteilt, die jeweils eine Breite bl von 3 bis 4m und die vorgenannte Länge von ca. 12 bis 15m haben, so dass ein vergleichsweise einfacher Transport zur Baustelle und eine schnelle Montage vor Ort ermöglicht ist.
In Figur 6 ist beispielhaft eine Schwerstoffaustrag- einrichtung dargestellt. Die durch die Wirkung des mechanischen Rührwerks 22 oder durch die pneumatische Förderung über die Düsen 30.1 abgesetzten und von den Schubböden 23 zu den zentral angeordneten Ausschleuseöffnungen 16.3 geförderten Schwerstoffe gelangen zuerst in einen Austragspiralförderer 24, der in einen Schrägförderer 25 einträgt . Über diesen werden die Schwerstoffe 4 schräg nach oben hin zu einer Waschanlage 25.1 gefördert, die sich oberhalb des Gärschlammspiegels 20.1 befindet. In dieser Waschanlage 25.1 werden die verschmutzen Schwerstoffe 4 durch einen Siebkorb gefördert, welcher von außen her mit Reinigungswasser 6 beaufschlagt wird, über das die Verschmutzungen ausgespült werden, so dass gereinigte Schwerstoffe 4.1 ausgetragen werden. Das verschmutzte Reinigungswasser 7 wird in den Vorlagebehälter 9 -(siehe Figuren 1 und 2) zurückgeführt und dort zur Einstellung des TS-Gehaltes verwendet. Die gereinigten Schwerstoffe 4.1 können deponiert oder einer sonstigen Verwertung zugeführt werden. Als Reinigungswasser 6 kann beispielsweise Betriebswasser oder Frischwasser verwendet werden.
Das bei den bevorstehenden Prozessen anfallende Gärgut 5 wird einer Weiterbehandlung, beispielsweise einer Entwässerung, einer Trocknung oder einer Kompostierung zugeführt .
Durch die vorbeschriebene Strömungsführung des Gärschlammes innerhalb des Gärreaktors 16 entlang der Strömungslinien 20.2 in den Figuren 2 und 3 wird die Rührbewegung (mechanisch / pneumatisch) unterstützt, aber in erster Linie die Animpfung des eingetragenen Frischgutes mit aktiver Bakterienmasse (Impfgut) vom Austrag her oder an unterschiedlichen Stellen am Reaktor 16 verbessert und somit die biologische Umsetzung beschleunigt.
Selbstverständlich lässt sich zu den Gaseintrittsdüsen gemäß in Figur 3 auch ein mechanisches Rührwerk hinzufügen. Die Gaseinpressdüsen können auch bei einem Gärreaktor mit rundem Querschnitt gemäß Figur 1 eingesetzt werden.
Offenbart sind ein Verfahren zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall und eine Vergärungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens . Erfindungsgemäß wird das Frischgut, d. h. der zu behandelnde biogene Abfall, über mehrere, entlang der Reaktorhöhe und / oder Reaktorlänge verteilte Eintrittsöffnungen zugeführt und / oder Gärgut über mehrere Gärgutaustragsöffnungen abgezogen.
Bezugszeichenliste:
1 Frischgut
2 Störstoff
3 Biogas
3.: Gasräum
3.2 > Gasdorn
4 Stör- /Schwerstoff
5 Gärgut
6 Reinigungswasser
7 Schmutzwasser
8 Aufbereitungsanlage
9 Vorlagebehälter
10 Pumpen-Förderstation
11 Schieber
12 Leitung
13 Zweigleitung
14 Förderleitungen
15 Eintritts-/Austragsöffnung
16 Reaktor
16. ,1 Reaktormantel
16. ,2 Isolation
16. ,3 Ausschleuseöffnung
16. 4 Schrägfläche
16. 5 Horizontalfläche
18 Heiztasche
20 Gärschlamm
20. .1 Gärschlammspiegel
20. .2 Gärschlammströmungsrichtung
22 Rührwerk
22. ,1 Getriebemotor
22. 2 Rührwerksarm
22. .3 Rührwerksschaufei
22. ,4 Rührwerkswelle
23 Schubboden 23.1 Zylinder- /Kolbeneinheit
23.2 Hub
24 Austragspiralförderer
25 Schrägförderer
25.1 Waschanlage
26 Verdichter
27 Gaseinpressleitung
28 Steuerventile 29 Steuerventile
30 Düsenfeld 30.1 Düsen
31.1 Schwimmdecke
33 Sicherheitseinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum anaeroben Vergären von biogenem Abfall mit einem TS-Gehalt von < 40 % vorzugsweise 15 - 30 %, der als Frischgut einem Reaktor (16) zugeführt wird, in dem biologische Bestandteile zu Biogas umgesetzt werden und das Gärgut (5) über einen Gärgutaus- trag (15) abgezogen wird, wobei ein Teil des Gärguts (5) als Impfgut in den Reaktor zurückgeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgut (1) und Gärgut (5) wahlweise über mehrere, entlang der Reaktorhöhe (H) und/oder -länge (2) verteilte Eintrittsöffnungen zugeführt und/oder Gärgut (5) über mehrere Gärgut-Austragsöffnungen (15) abgezogen wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei über die Ein- trittsöffnungen (15) auch Impfmaterial zugeführt werden kann.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das Gärgut (5) über ein mechanisches Rührwerk (22) oder durch Gas- einpressung (30.1) durchmischt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, erste Alternative, wobei die Drehrichtung des Rührwerks (22) während des Gärprozesses umgesteuert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 3, zweite Alternative, wobei Biogas über im Reaktorboden (16.4) angeordnete Gaseinpressdüsen (30.1) eingepresst wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, wobei Gaseinpressdüsen (30.1) feldweise aufeinanderfolgend angesteuert werden.
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, wobei das Gaseinpressen über ein Feld (30) solange erfolgt, bis eine Schwimmdecke (31.1) in diesem Bereich aufgebrochen ist .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei Sinkstoffe (4) etc. mittig vom Boden (16.5) des Reaktors (16) abgezogen werden.
9. Verfahren nach 8, wobei am Boden (16.5) des Reaktors (16) zwei entgegengesetzt gerichtete Stör- /Sinkstoffströme (4) hin zu einem mittigen Sink- /Störstoffaustrag (16.3) ausgebildet werden.
10. Vergärungsanlage, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Anaerob-Gärreaktor (16) , dem Frischgut (1) zuführbar ist und der einen Gasdom (3.2) zum Abziehen von Biogas (3) sowie einen Gärgutaustrag (15) zum Abführen von Gärgut (5) hat, wobei im Reaktor (16) eine Durchmischungseinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gärreaktor (16) eine Vielzahl von Eintritts- und Austragsöffnungen (15) hat, durch die wahlweise Frischgut (1) oder Gärgut (5) zuführbar bzw. austragbar ist.
11. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 10, mit einer zentralen Förderstation (10) , über die Gärgut (5) durch Austragsöffnungen (15) abziehbar und Frischgut (1) oder Gärgut (5) als Impfstoff über Eintrittsöff- nungen (15) zuführbar ist, wobei über die Förderstation (10) die Strömungspfade zu und von den Öffnungen (15) umsteuerbar sind und sich im Gärreaktor (16) entsprechend variierende StoffStrömungsprofile (20.2) ausbilden.
12. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 10 oder 11, mit einem Rührwerk (22) , dessen Drehrichtung während des Gärprozesses über eine Zeittaktsteuerung oder in Abhängigkeit von Parametern der Vergärung umsteuerbar ist.
13. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 11 oder 12, wobei sich benachbarte Rührwerksschaufeln (22.3) in Axialrichtung überlappen.
14. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 11, 12 oder 13, wobei eine Rührwerkswelle (22.4) des Rührwerks (22) beidseitig gelagert ist und so dimensioniert ist, dass sie durch den Auftrieb im Reaktor (16) mittig abgestützt ist.
15. Vergärungsanlage nach einem der Patentansprüche 10 bis 14, wobei am Boden des Gärreaktors (16) zwei Stör-/Sinkstoff-Fördereinrichtungen, insbesondere Schubböden (23) vorgesehen sind, über die Sinkstoffe hin zu einer zwischen diesen gelegenen, mittigen SinkstoffausSchleuseöffnung (16.3) förderbar sind.
16. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 15, mit einer Waschanlage zum Waschen der Sinkstoffe.
17. Vergärungsanlage nach einem der Patentansprüche 10 bis 16, wobei der Gärreaktor (16) liegend angeordnet ist und einen runden oder etwa rechteckförmigen Querschnitt hat, wobei im letztgenannten Fall zwei Schrägflächen (16.4) und eine dazwischen angeordnete Horizontalfläche (16.5) den Boden ausbilden.
18. Vergärungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 17, mit einer Gaseinpressvorrichtung (30.1) für Biogas.
19. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 18, wobei Gaseinpressdüsen (30.1) im Boden des Gärreaktors (16) angeordnet sind.
20. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 19 und 17, wobei die Gaseinpressdüsen (30.1) in den Schrägflächen (16.4) angeordnet sind.
21. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 20, wobei die Gaseinpressdüsen (30.1) in Vertikalrichtung oder senkrecht zu den Schrägflächen münden.
22. Vergärungsanlage nach Patentanspruch 18, 19 oder 20, wobei die Gaseinpressdüsen (30.1) zu mehreren Feldern (30) zusam engefasst sind, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
23. Vergärungsanlage nach einem der Patentansprüche 10 bis 20, wobei der Mantel des Gärreaktors (16) beheizt ist.
24. Vergärungsanlage nach einem der Patentansprüche 11 bis 23, mit einer Frischgutdirektbeschickung (32) , über die unabhängig von der Förderstation (10) Frischgut erwärmt zuführbar ist.
25. Vergärungsanlage nach einem der Patentansprüche 10 bis 24, wobei der Gärreaktor (16) aus transportfähigen Segmenten zusammengesetzt ist.
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