WO2023030624A1 - Verfahren und anlage zur verarbeitung von biologischem substrat - Google Patents

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digestate
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Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for processing biological substrate.
  • Biogas plants produce methane through a microbial decomposition process of organic substances.
  • the biogas is created in a multi-stage process of fermentation or digestion through the activity of anaerobic microorganisms, i.e. with the exclusion of atmospheric oxygen.
  • anaerobic microorganisms i.e. with the exclusion of atmospheric oxygen.
  • a distinction is made between dry and wet fermentation.
  • fibrous, solid, biological substrates such as manure, green waste, organic waste from separate collection and organic fractions from residual waste are used.
  • the biological substrates used in dry fermentation usually contain a water content of up to 70% and a dry matter content of more than 15%. The designation of the fermentation as "dry” therefore only serves to differentiate it from wet fermentation and should not be understood to mean that dry biomass is actually used.
  • the biological substrate always contains solid impurities such as sand, stones, wood, glass or metal.
  • Plug flow fermenters are often used to carry out dry fermentation.
  • the fermentation in the plug flow fermenter leads to a breakdown of the fatty acids in the fermentation substrate as well as to a general breakdown of the organic dry matter present in the biowaste.
  • Relatively long residence times (usually longer than 20 days) of the substrate in the plug-flow digester must be observed in order to ensure sufficient fermentation for maximizing the gas yield.
  • the economic efficiency of the plant which is optimized by a high gas yield, is therefore reduced by the necessary high investment costs.
  • an inoculum must be provided that contains enough microbiologically active organisms to enable the necessary microbial processes, i.e. the anaerobic degradation that takes place in the fermenter.
  • this inoculum is a liquid fraction from the digestate that leaves the plug flow digester and is returned to the mashing of the biological substrate.
  • the fermentation substrate In order to prevent possible over-acidification of the fermenter due to an excessive concentration of organic fatty acids in the material returned as inoculum, the fermentation substrate must be digested as far as possible, which also requires long residence times in the dry fermenter.
  • the organic substrate is largely degraded, which has at least two negative effects on the course of the process.
  • the solid part of the fermentation residue after dry fermentation is usually subjected to an aerobic treatment with the intentionally shortest possible residence time, namely composting or post-rotting, in order to achieve further reduction and stabilization as well as sanitation of the biowaste.
  • a minimum temperature must be maintained during composting.
  • this is only possible with difficulty in the case of biowaste that has largely decomposed and which only has a small amount of organic content, so that fresh biological material often has to be added for composting.
  • Fresh substrate is therefore consumed, which has not previously undergone dry fermentation and therefore does not contribute to the methane yield of the plant, which reduces the profitability of the plant.
  • a disadvantage of the extensive digestion is that towards the discharge of the plug flow fermenter, i.e. in an area in which the proportion of dry matter is becoming ever smaller, more and more inert, non-degradable substances such as bones or metals are deposited.
  • Such a deposit takes place because the carrying capacity of the fermenter suspension for inert substances decreases more and more due to the extensive fermentation.
  • the deposits can lead to increased wear and even failure of the fermenter's stirring technology.
  • a dry fermentation plant is described, for example, in DE 10 2013 213 258 A1.
  • a liquid percolate is produced, which is collected in a percolate tank.
  • the percolate is returned to the dry fermentation as an inoculum.
  • the liquid fermentation residue is applied as fertilizer from the percolate tank.
  • Dry digesters are also used in combination with wet digesters, in which substrates with a dry matter content of less than 15% are used. In such plants, the fermentation residues obtained from the dry fermentation are fed to the wet fermenter as a substrate.
  • WO 2019/086649 A1 describes a ring-shaped plug flow fermenter which encloses a wet fermenter. The digestate is fed from the outlet of the plug flow digester into the wet digester as substrate.
  • WO 2019/086649 A1 thus discloses a method for processing biological substrate with the steps a) introducing the biological substrate into a device for dry fermentation, b) carrying out a dry fermentation to obtain methane with the formation of a digestate, c) introducing the in step b) the fermentation residue obtained in a device for wet fermentation, d) carrying out a wet fermentation to obtain methane with the formation of a liquid fermentation residue.
  • the object of the invention is to provide an economically optimized method for processing biological substrate, which delivers an increased yield of methane with an increased throughput of substrate per time.
  • the present invention provides a method for processing biological substrate, comprising the following steps: a) introducing the biological substrate into a device for dry fermentation, b) carrying out a dry fermentation to obtain methane with the formation of a digestate, c) transferring the digestate obtained in step b) into a device for solid/liquid separation, d) carrying out a solid/liquid separation of the fermentation residue to form a fermentation residue solid phase and a fermentation residue liquid raw phase, e) transferring the fermentation residue liquid raw phase obtained in step d) into a device for separating solids, f) carrying out a separation of solids from the fermentation residue liquid raw phase to obtain a fermentation residue liquid phase, g) introducing the liquid fermentation residue obtained in step f) into a device for wet fermentation, h) carrying out a wet fermentation to obtain methane with the formation of a liquid fermentation residue, i) returning at least part of the liquid fermentation residue formed in step h) as an inoculum to the device for Dry Ferme ntation
  • the particular advantage of the method according to the invention lies in the reduction in the residence time of the substrate in the dry fermentation by at least 20% and up to 40%.
  • the method according to the invention is suitable both for the expansion of an existing plant and for the construction of a new plant.
  • the wet fermenter of a suitable size usually has to be added to the existing dry fermentation plant.
  • an approximately equal percentage of throughput of biological substrate per time can be achieved with the same size fermenter, so that a small plant achieves a larger total gas production.
  • a smaller-sized dry digester can be built for the same amount of waste, thus saving costs.
  • the possibility is also created of having a higher proportion of organic material than in conventional systems after carrying out a Solid/liquid separation of the fermentation residue from the dry fermentation as a fermentation residue solid phase to a downstream composting process.
  • the composting process largely does not require the addition of fresh organic waste.
  • the composting can be operated at a sufficiently high temperature and thus good hygienization and extensive water reduction, so that the composted material then meets the specifications of the Quality Association for Compost.
  • one disadvantage of extensive decomposition of the substrate in the dry fermenter is that towards the discharge of the fermenter, i.e. in an area where the dry matter content is decreasing, more and more inert, non-degradable substances such as bones or metals are deposited.
  • Such a deposit takes place because the carrying capacity of the fermenter suspension for inert substances decreases more and more due to the extensive fermentation.
  • the deposits can lead to increased wear and even failure of the fermenter's stirring technology.
  • the reduction in the residence time of the substrate in the dry fermenter and the resulting lower degradation of organic material result in a higher proportion of organic matter and, associated with this, a higher capacity of the fermenter suspension for inert impurities.
  • the problem of depositing these impurities towards the discharge of the fermenter is therefore less relevant because there is a reduction in deposits in the dry fermenter.
  • the fermentation residue is first transferred to a device for solid/liquid separation, a solid/liquid separation of the fermentation residue is carried out to form a fermentation residue solid phase and a fermentation residue liquid raw phase, and then a further separation step is carried out.
  • the raw digestate liquid phase is transferred to a device for separating solids, and in this device solids are separated from the raw digestate liquid phase to obtain a liquid digestate phase.
  • This liquid fermentation residue phase is essentially free of impurities and can subsequently be introduced into a device for wet fermentation as a substrate.
  • an inoculum must be provided for dry fermentation that contains enough microbiologically active organisms to enable the necessary microbial processes, i.e. the anaerobic degradation that takes place in the fermenter.
  • a liquid fraction from the digestate is used as the inoculum used in dry fermentation and returned to the mashing of the biological substrate. Due to the reduced residence time of the substrate in the dry fermentation provided according to the present invention, the fermentation residue leaving the dry fermenter is not sufficiently digested and therefore has a too high concentration of organic fatty acids. If used as an inoculum, the fermenter would become acidic.
  • a wet fermentation for the production of methane is carried out downstream of the dry fermentation.
  • the methane production takes place with the formation of a liquid digestate.
  • the material fed into the wet fermentation is sufficiently digested in such a way that the liquid fermentation residue can be fed into the dry fermentation process as an inoculum without the risk of over-acidification.
  • it is therefore provided that at least part of the liquid fermentation residue formed during the wet fermentation is returned to the device for the dry fermentation as an inoculum.
  • the dry fermenter and the wet fermenter are used together for processing the biological substrate, as a result of which particularly high gas yields are achieved.
  • the gas yields increase sharply, since with the combination of dry and wet fermentation the starting material is completely digested or hygienized in the method according to the invention, but due to the shorter residence time in the dry fermenter compared to conventional systems, more fermentation substrate can be introduced.
  • Step i) is preferably carried out as step i) returning a first portion of the liquid fermentation residue formed in step h) as an inoculum to the device for dry fermentation and transferring a second portion of the liquid fermentation residue formed in step h) to a device for hygienization and after step i ) step j) hygienization of the second portion of the liquid fermentation residue formed in step h) to form an agriculturally usable biological material.
  • excess material from the wet fermentation which is not returned to the device for dry fermentation as inoculum, can be used as agricultural fertilizer on agricultural land after sanitization. As a rule, they are brought into agriculture after the agriculturally usable biological material has been temporarily stored.
  • the hygienization in step j) particularly preferably takes place at a temperature between 65°C and 75°C, particularly preferably at a temperature of 70°C. Also preferably, in step j) the hygienization takes place with a residence time of the liquid fermentation residue of between 45 minutes and 75 minutes, particularly preferably with a residence time of 60 minutes. At the preferred temperatures and residence times mentioned, a particularly optimal hygienization is achieved, as a result of which all in step h) formed liquid fermentation residue that is not returned to the device for dry fermentation as inoculum can be used as agricultural fertilizer on agricultural land.
  • the steps do) transferring the fermentation residue obtained in step d) into a device for composting biological material and di) carrying out a composting of the fermentation residue obtained in step d) in the device for Composting of biological material carried out.
  • the composting in step di) particularly preferably takes place without admixing additional, untreated biological substrate. Due to the shortened residence time in the dry fermenter, a higher proportion of organic material than in conventional systems can be fed to a downstream composting process after solid/liquid separation of the digestate from the dry fermentation as a digestate solid phase. This rotting process usually does not require any addition of fresh organic waste.
  • Solids are preferably separated from the crude digestate liquid phase obtained by the solid/liquid separation of the digestate in step f) by density separation to obtain a liquid digestate phase.
  • the density separation is particularly preferably carried out using a press, a grit separator, a decanter, a sieve or a settling tank.
  • the fermentation residue liquid phase introduced into the device for wet fermentation in step g) has a dry matter content of less than 15%. With a dry matter content of less than 15%, wet fermentation proceeds with a particularly high yield of methane.
  • the wet fermentation carried out in step h) preferably takes place with admixture of additional biological substrate. If the wet fermenter is dimensioned accordingly, additional external liquid input streams can also be processed and then used. This results in a broader and more flexible use of the entire fermentation plant from dry and wet fermentation.
  • the additional biological substrate mixed in in step h) is preferably liquid manure, food waste, leftover food, market waste or mixtures of these substrates.
  • the method according to the invention makes it possible to shorten the residence time of the biological substrate in the device for dry fermentation in comparison to conventional systems and methods.
  • a particularly preferred embodiment of the present invention provides, in step b), to carry out the dry fermentation for the production of methane with a residence time of the biological substrate in the device for dry fermentation of 10 to 19 days, particularly preferably with a residence time of 12 to 17 days.
  • the solids separated from the crude fermentation residue liquid phase in step f) are usually stones, sand, glass and/or pieces of metal.
  • the biological substrate introduced into the device for dry fermentation in step a) preferably has a dry matter content of between 15% and 60%, particularly preferably between 25% and 50%. Particularly high gas yields are achieved when using biological substrates with the stated proportions of dry matter.
  • the present invention also includes a plant for processing biological substrate comprising at least one device for dry fermentation, at least one device for solid/liquid separation, at least one device for separating solids, at least one device for wet fermentation and at least one device for recycling Liquid digestate as inoculum in the device for dry fermentation.
  • a device for sanitizing liquid digestate is preferably additionally provided.
  • at least part of the liquid fermentation residue produced during wet fermentation is returned to the dry fermenter as an inoculum.
  • a device for sanitizing liquid fermentation residue is provided, with the aid of which the excess liquid fermentation residue can be sanitized.
  • all the liquid digestate formed during the wet fermentation which is not returned to the device for the dry fermentation as inoculum, can be used as agricultural fertilizer on agricultural land.
  • the device for dry fermentation is preferably a plug flow fermenter.
  • a plug flow fermenter enables continuous processing of substrates by dry fermentation.
  • the substrate is conveyed as a "plug" through the horizontal fermenter by means of large hydraulic piston pumps.
  • the device for solid/liquid separation is a press screw separator.
  • a solid/liquid separation of the digestate is carried out, forming a solid digestate phase enriched with solids and a crude liquid digestate phase depleted of solids. This separates the coarse solids contained in the fermentation residues, such as plant fibers or husks.
  • the press screw separator conveys the digestate to be dewatered in a cylindrical screening drum by means of a screw against the weighted discharge flaps.
  • the coarse-grained digestate components are pressed out at the outlet flaps and form a solid cake there.
  • the liquid passes through the gaps in the screen drum into the shell space and runs off there.
  • the raw fermentation residue liquid phase preferably reaches a collection container by gravity. This is preferably used as a storage container for the subsequent process step.
  • the digestate solid phase falls out at the discharge flap and is preferably transferred to a device for composting biological material.
  • the system for processing biological substrate additionally has a device for composting biological material.
  • the device for composting biological material is particularly preferably post-composting.
  • the compost formed in the device for composting biological material can be taken to fields or dried further and/or used in some other way after a fine treatment process in which fine particles ⁇ 15 mm, preferably ⁇ 11 mm, are used.
  • the device for separating solids is preferably a press, a grit separator, a decanter, a sieve or a settling basin. These devices are particularly well suited to separating the impurities often contained in the biological substrate, such as stones, sand, glass and/or pieces of metal.
  • FIG. 1 uses a flow chart to show the sequence of the method according to the invention for processing biological substrate. All process steps shown with solid lines are part of the process according to the invention. The method steps drawn in dashed lines are preferred embodiments.
  • step a) the biological substrate is introduced into a device for dry fermentation.
  • the device for dry fermentation is preferably a plug flow fermenter.
  • Step b) of the method according to the invention consists in carrying out a dry fermentation in the device for dry fermentation, with methane being obtained with the formation of a digestate.
  • step c) the fermentation residue obtained in step b) is transferred to a device for solid/liquid separation.
  • This device for solid/liquid separation is preferably a press screw separator.
  • a solid/liquid separation of the digestate is carried out in step d) to form a digestate solid phase and a digestate liquid raw phase.
  • the digestate obtained in step b) from the dry fermentation is thus divided into a digestate solid phase and a digestate liquid raw phase.
  • the digestate solid phase obtained in step d) is transferred in step do) to a device for composting biological material and in step di) a composting of the obtained in step d).
  • This composition in step di) is preferably carried out without admixing additional, untreated biological substrate.
  • the shortened residence time of the substrate in the dry fermenter means that, compared to conventional systems, a higher proportion of organic material can be fed to a downstream composting process as a solid phase of the digestate after a solid/liquid separation of the digestate from the dry fermentation.
  • This rotting process usually does not require the addition of fresh organic waste. Nevertheless, a composting with a sufficiently high temperature and thus good hygienization and extensive water reduction is achieved, so that the composted material then meets the specifications of the compost quality association.
  • step e) of the method according to the invention the crude fermentation residue liquid phase obtained in step d) is transferred to a device for separating solids.
  • the device for separating solids is preferably a press, a grit separator, a decanter, a sieve or a settling tank.
  • a separation of solids from the crude fermentation residue liquid phase is then carried out in step f) to obtain a liquid fermentation residue phase.
  • step g) of the method according to the invention the fermentation residue liquid phase obtained in step f) is introduced into a device for wet fermentation.
  • step h) a wet fermentation for the production of methane is carried out in the wet fermenter with the formation of a liquid digestate.
  • step i) at least part of the liquid fermentation residue formed in step h) is returned to the device for dry fermentation as an inoculum.
  • step i) is preferably carried out as step i) returning a first portion of the liquid fermentation residue formed in step h) as an inoculum to the device for dry fermentation and transferring a second portion of the liquid fermentation residue formed in step h) to a device for hygienization and after step i), step j) hygienization of the second portion of the liquid fermentation residue formed in step h) to form an agriculturally usable biological material carried out.
  • step j) hygienization of the second portion of the liquid fermentation residue formed in step h) to form an agriculturally usable biological material carried out.
  • the hygienization in step j) preferably takes place at a temperature of 70° C. with a residence time of the liquid fermentation residue of 60 min. Under these conditions, a particularly optimal hygienization is achieved, whereby all liquid fermentation residue formed in step h) that does not enter the device as an inoculum is returned to dry fermentation as agricultural manure can be used on agricultural land.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Verarbeitung von biologischem Substrat mit den Schritten a) Einbringen des biologischen Substrats in eine Vorrichtung zur Trockenfermentation, b) Durchführung einer Trockenfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Gärrestes, c) Überführen des in Schritt b) erhaltenen Gärrestes in eine Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung, d) Durchführung einer Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes unter Bildung einer Gärrestfestphase und einer Gärrestflüssigrohphase, e) Überführen der in Schritt d) erhaltenen Gärrestflüssigrohphase in eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen, f) Durchführung einer Abscheidung von Feststoffen aus der Gärrestflüssigrohphase unter Gewinnung einer Gärrestflüssigphase, g) Einbringen der in Schritt f) erhaltenen Gärrestflüssigphase in eine Vorrichtung zur Nassfermentation, h) Durchführung einer Nassfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Flüssiggärrestes, i) Rückführung von zumindest einem Teil des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation.

Description

Verfahren und Anlage zur Verarbeitung von biologischem Substrat
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Verarbeitung von biologischem Substrat.
Stand der Technik
Biogasanlagen erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess der Vergärung oder Faulung durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, das heißt unter Ausschluss von Luftsauerstoff. Dabei wird in Abhängigkeit von der Art der zu fermentierenden Biomasse zwischen einer Trocken- und einer Nassfermentation unterschieden.
Bei der Trockenfermentation werden faserige, feststoffhaltige, biologische Substrate wie Mist, Grünschnitt, Bioabfall aus der Getrenntsammlung sowie organische Fraktionen aus Restmüll eingesetzt. Die bei der Trockenfermentation verwendeten biologischen Substrate enthalten in der Regel einen Wasseranteil von bis zu 70 % und einen Trockensubstanzgehalt von größer 15%. Die Bezeichnung der Fermentation als "trocken" dient also nur der Abgrenzung zur Nassfermentation und ist nicht so zu verstehen, dass tatsächlich trockene Biomasse eingesetzt wird. In dem biologischen Substrat sind immer feste Störstoffe wie Sand, Steine, Holz, Glas oder Metall enthalten.
Zur Durchführung einer Trockenfermentation werden häufig Pfropfenstromfermenter eingesetzt. Die Vergärung im Pfropfenstromfermenter führt zu einem Abbau der Fettsäuren im Gärsubstrat wie auch zu einem generellen Abbau der vorhandenen organischen Trockensubstanz im Bioabfall. Um eine zur Maximierung des Gasertrags ausreichende Vergärung zu gewährleisten, müssen relativ lange Verweilzeiten (meistens länger als 20 Tage) des Substrats im Pfropfenstromfermenter eingehalten werden. Dies führt zu hohen Investitionskosten, da die Größe des Pfropfenstromfermenters entsprechend der Mindestverweilzeit ausgelegt werden muss. Eine durch hohen Gasertrag optimierte Wirtschaftlichkeit der Anlage wird also durch die erforderlichen hohen Investitionskosten gemindert. Für die Trockenfermentation muss ein Inokulum bereitgestellt werden, das genügend mikrobiologisch aktive Organismen enthält, um die notwendigen mikrobiellen Prozesse, also den im Fermenter stattfindenden anaeroben Abbau, zu ermöglichen. In der Regel ist dieses Inokulum eine flüssige Fraktion aus dem Gärrest, der den Pfropfenstromfermenter verlässt und zum Anmaischen des biologischen Substrats zurückgeführt wird.
Um eine mögliche Übersäuerung des Fermenters durch eine zu hohe Konzentration an organischen Fettsäuren in dem als Inokulum rückgeführten Material zu verhindern, muss das Gärsubstrat weitestgehend ausgefault werden, was ebenfalls lange Verweilzeiten im Trockenfermenter erforderlich macht.
Bei entsprechend langen Verweilzeiten im Trockenfermenter wird das organische Substrat weitestgehend abgebaut, was zumindest zwei negative Auswirkungen auf den Verfahrensverlauf hat. Zum einen wird üblicherweise der feste Anteil des Gärrests nach der Trockenfermentation einer aeroben Behandlung mit einer gewollt möglichst kurzen Aufenthaltszeit, nämlich einer Kompostierung oder Nachrotte, zugeführt, um eine weitere Reduktion und Stabilisierung sowie eine Hygienisierung des Bioabfalls zu erreichen. Um dies gewährleisten zu können, muss während der Kompostierung eine Mindesttemperatur eingehalten werden. Dies ist bei weitgehend ausgefaultem Bioabfall, der nur mehr wenig organische Inhaltsstoffe aufweist, aber nur schwer möglich, so dass für die Kompostierung häufig biologisches Frischmaterial zugeführt werden muss. Es wird also frisches Substrat verbraucht, welches zuvor keine Trockenfermentation durchlaufen hat und daher auch keinen Betrag zum Methan-Ertrag der Anlage leistet, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage gemindert wird.
Zum anderen liegt ein Nachteil der weitgehenden Ausfaulung darin, dass zum Austrag des Pfropfenstromfermenters hin, also in einem Bereich, in dem der Trockensubstanzanteil immer geringer wird, sich vermehrt inerte, nicht abbaubare Stoffe wie Knochen oder Metalle ablagern. Eine solche Ablagerung findet statt, weil aufgrund der weitgehenden Ausfaulung die Tragfähigkeit der Fermentersuspension für inerte Stoffe mehr und mehr abnimmt. Die Ablagerungen können zu einem vermehrten Verschleiß bis hin zum Ausfall der Rührtechnik des Fermenters führen.
Eine Trockenfermentationsanlage wird beispielsweise in der DE 10 2013 213 258 Al beschrieben. Dort wird in einem Verfahren zur Erzeugung eines flüssigen Düngemittels in einer Trockenfermentationsanlage ein flüssiges Perkolat erzeugt, das in einem Perkolattank gesammelt wird. Das Perkolat wird als Inokulum in die Trockenfermentation zurückgeführt. Aus dem Perkolattank wird nach einer Hygienisierung der flüssige Gärrest als Düngemittel ausgebracht. Trockenfermenter werden auch in Kombination mit Nassvergärungsanlagen eingesetzt, in denen Substrate mit einem Trockensubstanzgehalt von kleiner 15% verwendet werden. In solchen Anlagen werden die aus der Trockenfermentation erhaltenen Gärreste als Substrat dem Nassfermenter zugeführt.
Die WO 2019/086649 Al beschreibt beispielsweise einen ringförmig angelegten Pfropfenstromfermenter, der einen Nassfermenter umschließt. Der Gärrest wird vom Auslass des Pfropfenstromfermenters als Substrat in den Nassfermenter geleitet. Die WO 2019/086649 Al offenbart also ein Verfahren zur Verarbeitung von biologischem Substrat mit den Schritten a) Einbringen des biologischen Substrats in eine Vorrichtung zur Trockenfermentation, b) Durchführung einer Trockenfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Gärrestes, c) Einbringen des in Schritt b) erhaltenen Gärrestes in eine Vorrichtung zur Nassfermentation, d) Durchführung einer Nassfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Flüssiggärrestes.
Die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Lösungen liegen insbesondere in den aufgrund der langen Mindestverweilzeit des Substrats relativ groß dimensionierten Trockenfermentern, in dem durch Ablagerungen inerten Materials verursachten erhöhten Verschleiß der Rührtechnik des Fermenters und in dem zusätzlichen Verbrauch von Bioabfall als Zumischung bei der Kompostierung des festen Gärrestanteils der Trockenfermentierung.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, ein wirtschaftlich optimiertes Verfahren zur Verarbeitung von biologischem Substrat bereitzustellen, das einen erhöhtem Ertrag an Methan bei erhöhtem Durchsatz von Substrat pro Zeit liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Verarbeitung von biologischem Substrat gemäß Anspruch 1 und durch die Anlage gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, der Figur und den Beispielen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verarbeitung von biologischem Substrat mit folgenden Schritten zur Verfügung: a) Einbringen des biologischen Substrats in eine Vorrichtung zur Trockenfermentation, b) Durchführung einer Trockenfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Gärrestes, c) Überführen des in Schritt b) erhaltenen Gärrestes in eine Vorrichtung zur Fest- /Flüssig-Trennung, d) Durchführung einer Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes unter Bildung einer Gärrestfestphase und einer Gärrestflüssigrohphase, e) Überführen der in Schritt d) erhaltenen Gärrestflüssigrohphase in eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen, f) Durchführung einer Abscheidung von Feststoffen aus der Gärrestflüssigrohphase unter Gewinnung einer Gärrestflüssigphase, g) Einbringen der in Schritt f) erhaltenen Gärrestflüssigphase in eine Vorrichtung zur Nassfermentation, h) Durchführung einer Nassfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Flüssiggärrestes, i) Rückführung von zumindest einem Teil des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Reduzierung der Verweilzeit des Substrats in der Trockenfermentation um mindestens 20% und bis zu 40%. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei sowohl bei Erweiterung einer Bestandsanlage als auch für einen Anlagenneubau geeignet. Bei Bestandsanlagen muss in der Regel der Nassfermenter in einer geeigneten Größe zu der bereits bestehenden Trockenfermentationsanlage ergänzt werden. Durch die Verkürzung der Verweilzeit in der Trockenfermentation kann bei gleicher Größe des Fermenters ein prozentual etwa gleich erhöhter Durchsatz an biologischem Substrat pro Zeit erreicht werden, so dass eine kleine Anlage eine größere Gesamtgaserzeugung erzielt. Bei einem Neubau einer kombinierten Trocken- und Nassvergärung kann beispielsweise für dieselbe Abfallmenge ein kleiner dimensionierter Trockenfermenter gebaut und so Kosten gespart werden.
Durch die Reduzierung der Verweilzeit des Substrats in der Trockenfermentation wird auch eine wirtschaftliche Optimierung des Prozesses erzielt. Zum einen werden höhere Durchsätze an biologischem Substrat im Trockenfermenter prozentual entsprechend der Reduzierung der Aufenthaltszeit erreicht. Zudem werden höhere Gaserträge erzielt, weil die Flüssigphase der Trockenfermentation in Kombination mit einer Nassfermentation komplett ausgefault wird.
Durch die verkürzte Verweilzeit wird zudem die Möglichkeit geschaffen, einen gegenüber herkömmlichen Anlagen höheren Anteil an organischem Material nach Durchführen einer Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes aus der Trockenfermentation als Gärrestfestphase einem nachgeschalteten Rotteprozess zuzuführen. Der Rotteprozess kommt in diesem Fall weitgehend ohne Zumischung von frischen Bioabfällen aus. Dennoch kann die Rotte mit ausreichend hoher Temperatur und damit guter Hygienisierung und weitgehender Wasserreduzierung betrieben werden, so dass das kompostierte Material anschließend den Vorgaben der Gütegemeinschaft Kompost genügt.
Wie bereits ausgeführt liegt ein Nachteil einer weitgehenden Ausfaulung des Substrats im Trockenfermenter darin, dass zum Austrag des Fermenters hin, also in einem Bereich, in dem der Trockensubstanzanteil immer geringer wird, sich vermehrt inerte, nicht abbaubare Stoffe wie Knochen oder Metalle ablagern. Eine solche Ablagerung findet statt, weil aufgrund der weitgehenden Ausfaulung die Tragfähigkeit der Fermentersuspension für inerte Stoffe mehr und mehr abnimmt. Die Ablagerungen können zu einem vermehrten Verschleiß bis hin zum Ausfall der Rührtechnik des Fermenters führen. Die Verringerung der Verweilzeit des Substrats im Trockenfermenter und der dadurch bedingte geringere Abbau von organischem Material bewirken einen höheren Anteil an organischer Substanz und damit verbunden eine höhere Tragfähigkeit der Fermentersuspension für inerte Störstoffe. Die Problematik der Ablagerung dieser Störstoffe zum Austrag des Fermenters hin wird damit weniger relevant, weil eine Reduzierung der Absetzungen im Trockenfermenter erfolgt.
Diese nicht abgelagerten inerten Störstoffe stellen dann einen Bestandteil des aus dem Trockenfermenter austretenden Gärrestes dar. Da ein wesentlicher Teil dieses Gärrestes als Substrat für die Nassfermentation verwendet werden soll, stellen diese Störstoffe ein Problem dar. Um die Störstoffe vor der Nassfermentation aus dem Gärrest der Trockenfermentation abzutrennen, ist erfindungsgemäß vorgesehen nach Durchführung der Trockenfermentation den Gärrest zunächst in eine Vorrichtung zur Fest-/Flüssig- Trennung zu überführen, eine Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes unter Bildung einer Gärrestfestphase und einer Gärrestflüssigrohphase durchzuführen, und dann einen weiteren Trennschritt durchzuführen. Dazu wird die Gärrestflüssigrohphase in eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen überführt und in dieser Vorrichtung eine Abscheidung von Feststoffen aus der Gärrestflüssigrohphase unter Gewinnung einer Gärrestflüssigphase durchgeführt. Diese Gärrestflüssigphase ist im Wesentlichen frei von Störstoffen und kann nachfolgend als Substrat in eine Vorrichtung zur Nassfermentation eingebracht werden.
Wie bereits erwähnt muss für die Trockenfermentation ein Inokulum bereitgestellt werden, das genügend mikrobiologisch aktive Organismen enthält, um die notwendigen mikrobiellen Prozesse, also den im Fermenter stattfindenden anaeroben Abbau, zu ermöglichen. In der Regel wird als Inokulum eine flüssige Fraktion aus dem Gärrest der Trockenfermentation verwendet und zum Anmaischen des biologischen Substrats zurückgeführt. Aufgrund der gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen reduzierten Verweilzeit des Substrats in der Trockenfermentation liegt der den Trockenfermenter verlassende Gärrest nicht genügend ausgefault vor und weist daher eine zu hohe Konzentration an organischen Fettsäuren auf. Bei Verwendung als Inokulum würde es zu einer Übersäuerung des Fermenters kommen.
Erfindungsgemäß wird daher der Trockenfermentation nachgeschaltet eine Nassfermentation zur Gewinnung von Methan durchgeführt. Die Methangewinnung erfolgt dabei unter Bildung eines Flüssiggärrestes. Das der Nassvergärung zugeführte Material wird bei diesem Prozess derartig ausreichend ausgefault, dass der Flüssiggärrest als Inokulum dem Trockenvergärungsverfahren ohne Gefahr einer Übersäuerung zugeführt werden kann. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, zumindest einen Teil des bei der Nassfermentation gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation rückzuführen.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also der Trockenfermenter und der Nassfermenter gemeinsam zur Verarbeitung des biologischen Substrats genutzt, wodurch besonders hohe Gaserträge erzielt werden. Die Gaserträge steigen stark an, da mit der Kombination aus Trocken- und Nassfermentation das Ausgangsmaterial bei dem erfindungsgemäßen Verfahren komplett ausgefault bzw. hygienisiert wird, jedoch aufgrund der verkürzten Verweilzeit im Trockenfermenter im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen insgesamt mehr Gärsubstrat eingebracht werden kann.
Bevorzugt wird als Schritt i) der Schritt i) Rückführung eines ersten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation und Überführen eines zweiten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes in eine Vorrichtung zur Hygienisierung durchgeführt und nach Schritt i) der Schritt j) Hygienisierung des zweiten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes unter Bildung eines landwirtschaftlich nutzbaren biologischen Materials durchgeführt. Durch diese bevorzugte Ausführungsform kann überschüssiges Material aus der Nassfermentation, das nicht als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation rückgeführt wird, nach Hygienisierung als Landwirtschaftsdünger auf landwirtschaftlichen Nutzflächen verbracht werden. In der Regel erfolgt das Verbringen in die Landwirtschaft nach einer vorherigen Zwischenlagerung des landwirtschaftlich nutzbaren biologischen Materials. Besonders bevorzugt erfolgt in Schritt j) die Hygienisierung bei einer Temperatur zwischen 65°C und 75°C, insbesondere bevorzugt bei einer Temperatur von 70°C. Ebenfalls bevorzugt erfolgt in Schritt j) die Hygienisierung mit einer Aufenthaltszeit des Flüssiggärrestes zwischen 45 min und 75 min, insbesondere bevorzugt mit einer Aufenthaltszeit von 60 min. Bei den genannten bevorzugten Temperaturen und Aufenthaltszeiten wird eine besonders optimale Hygienisierung erreicht, wodurch sämtlicher in Schritt h) gebildeter Flüssiggärrest, der nicht als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation rückgeführt wird, als Landwirtschaftsdünger auf landwirtschaftlichen Nutzflächen verbracht werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nach Schritt d) die Schritte do) Überführen der in Schritt d) erhaltenen Gärrestfestphase in eine Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material und di) Durchführung einer Kompostierung der in Schritt d) erhaltenen Gärrestfestphase in der Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material durchgeführt. Besonders bevorzugt erfolgt in Schritt di) die Kompostierung ohne Zumischung von zusätzlichem, unbehandelten biologischen Substrat. Durch die verkürzte Verweilzeit im Trockenfermenter kann ein gegenüber herkömmlichen Anlagen höherer Anteil an organischem Material nach Durchführen einer Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes aus der Trockenfermentation als Gärrestfestphase einem nachgeschalteten Rotteprozess zugeführt werden. Dieser Rotteprozess kommt in der Regel ohne jede Zumischung von frischen Bioabfällen aus. Dennoch wird eine Rotte mit ausreichend hoher Temperatur und damit guter Hygienisierung und weitgehender Wasserreduzierung erzielt, so dass das kompostierte Material anschließend den Vorgaben der Gütegemeinschaft Kompost genügt. Der Prozess gemäß der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform führt zu einer Einsparung an Betriebskosten und Baukosten.
Bevorzugt erfolgt die Abscheidung von Feststoffen aus der durch die Fest-/Flüssig- Trennung des Gärrestes erhaltenen Gärrestflüssigrohphase in Schritt f) durch eine Dichtetrennung unter Gewinnung einer Gärrestflüssigphase. Besonders bevorzugt erfolgt die Dichtetrennung unter Verwendung einer Presse, eines Grit Abscheiders, eines Dekanters, eines Siebs oder eines Absetzbeckens.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die in Schritt g) in die Vorrichtung zur Nassfermentation eingebrachte Gärrestflüssigphase einen Trockensubstanzanteil von kleiner 15% auf. Bei einem Trockensubstanzanteil von kleiner 15% verläuft die Nassfermentation mit einer besonders hohen Ausbeute an Methan. Bevorzugt erfolgt die in Schritt h) durchgeführte Nassfermentation unter Zumischung von zusätzlichem biologischen Substrat. Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Nassfermenters können zusätzliche externe flüssige Inputströme mitverarbeitet und anschließend genutzt werden. Dadurch ergibt sich eine breitere und flexiblere Nutzung der gesamten Vergärungsanlage aus Trocken- und Nassfermentation. Bei dem in Schritt h) zugemischten zusätzlichen biologischen Substrat handelt es sich bevorzugt um Gülle, Speiseabfälle, Lebensmittelreste, Marktabfälle oder Mischungen dieser Substrate.
Wie bereits erwähnt wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, die Verweilzeit des biologischen Substrats in der Vorrichtung zur Trockenfermentation im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen und Verfahren zu verkürzen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, in Schritt b) die Trockenfermentation zur Gewinnung von Methan mit einer Verweilzeit des biologischen Substrats in der Vorrichtung zur Trockenfermentation von 10 bis 19 Tagen, besonders bevorzugt mit einer Verweilzeit von 12 bis 17 Tagen, durchzuführen.
Bei den in Schritt f) aus der Gärrestflüssigrohphase abgeschiedenen Feststoffen handelt es sich üblicherweise um Steine, Sand, Glas und/oder Metallstücke.
Das in Schritt a) in die Vorrichtung zur Trockenfermentation eingebrachte biologische Substrat weist bevorzugt einen Trockensubstanzanteil zwischen 15% und 60%, besonders bevorzugt zwischen 25% und 50%, auf. Bei Verwendung biologischer Substrate mit den genannten Trockensubstanzanteilen werden besonders hohe Gaserträge erzielt.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine Anlage zur Verarbeitung von biologischem Substrat umfassend zumindest eine Vorrichtung zur Trockenfermenation, zumindest eine Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung, zumindest eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen, zumindest eine Vorrichtung zur Nassfermentation und zumindest eine Vorrichtung zur Rückführung von Flüssiggärrest als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation.
Bevorzugt ist zusätzlich eine Vorrichtung zur Hygienisierung von Flüssiggärrest vorgesehen. Wie bereits erwähnt wird zumindest ein Teil des bei der Nassfermentation entstehenden Flüssiggärrestes als Inokulum in den Trockenfermenter rückgeführt. Für den Fall, dass nicht sämtlicher Flüssiggärrest als Inokulum benötigt wird, ist eine Vorrichtung zur Hygienisierung von Flüssiggärrest vorgesehen, mit deren Hilfe eine Hygienisierung des überschüssigen Flüssiggärrestes durchgeführt werden kann. Durch diese Hygienisierung kann sämtlicher bei der Nassfermentation gebildeter Flüssiggärrest, der nicht als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation rückgeführt wird, als Landwirtschaftsdünger auf landwirtschaftlichen Nutzflächen verbracht werden. Bei der Vorrichtung zur Trockenfermentation handelt es sich bevorzugt um einen Pfropfenstromfermenter. Ein Pfropfenstromfermenter ermöglicht eine kontinuierliche Verarbeitung von Substraten durch Trockenfermentation. Dabei wird das Substrat mittels großer hydraulischer Kolbenpumpen als „Pfropfen" durch den waagerecht liegenden Fermenter gefördert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung um einen Pressschneckenseparator. Mit Hilfe des Pressschneckenseparators wird eine Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes unter Bildung einer mit Feststoffen angereicherten Gärrestfestphase und einer von Feststoffen abgereicherten Gärrestflüssigrohphase durchgeführt. Dadurch werden die in den Gärresten enthaltenen groben Feststoffe wie Pflanzenfasern oder Spelzen abtrennt.
Dabei fördert der Pressschneckenseparator den zu entwässernden Gärrest in einer zylindrischen Siebtrommel mittels einer Schnecke gegen die mit Gewichten beschwerten Austragsklappen. Die grobkörnigen Gärrestbestandteile werden an den Austrittsklappen abgepresst und bilden dort einen Feststoffkuchen. Die Flüssigkeit gelangt durch die Spalten der Siebtrommel in den Mantelraum und läuft dort ab. Die Gärrestflüssigrohphase gelangt im freien Gefälle bevorzugt in einen Sammelbehälter. Dieser dient bevorzugt als Vorlagebehälter für den nachfolgenden Verfahrensschritt.
Die Gärrestfestphase fällt an der Austragsklappe aus und wird bevorzugt in eine Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material überführt. Die Anlage zur Verarbeitung von biologischem Substrat weist nämlich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich eine Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material auf. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material um eine Nachrotte. Der in der Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material gebildete Kompost kann nach einem Feinaufbereitungsprozess, bei dem ein Feinkorn < 15 mm, bevorzugt < 11 mm, eingesetzt wird, auf Felder verbracht oder weiter getrocknet oder/und anderweitig verwendet werden.
Bei der Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen handelt es sich bevorzugt um eine Presse, einen Grit Abscheider, einen Dekanter, ein Sieb oder um ein Absetzbecken. Diese Vorrichtungen sind besonders gut geeignet, die in dem biologischen Substrat häufig enthaltenen Störstoffe Steine, Sand, Glas und/oder Metallstücke abzutrennen.
Die mit der erfindungsgemäßen Anlage zur Verarbeitung von biologischem Substrat und den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dieser Anlage verbundenen Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Es wird daher auf die entsprechenden Textabschnitte verwiesen, die die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreiben. Diese Passagen spiegeln auch die Vorteile der erfindungsgemäßen Anlage wider.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Figur 1 näher erläutert werden. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf das angegebene Beispiel beschränkt sein soll.
Figur 1 zeigt anhand eines Flussdiagramms den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verarbeitung von biologischem Substrat. Alle mit durchgezogenen Linien dargestellten Verfahrensschritte sind Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei den gestrichelt gezeichneten Verfahrensschritten handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen.
Das biologische Substrat wird in Schritt a) in eine Vorrichtung zur Trockenfermentation eingebracht. Bei der Vorrichtung zur Trockenfermentation handelt es sich bevorzugt um einen Pfropfenstromfermenter.
Der Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Durchführung einer Trockenfermentation in der Vorrichtung zur Trockenfermentation, wobei Methan unter Bildung eines Gärrestes gewonnen wird.
Gemäß Schritt c) wird der in Schritt b) erhaltene Gärrest in eine Vorrichtung zur Fest- /Flüssig-Trennung überführt. Bei dieser Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung handelt es sich bevorzugt um einen Pressschneckenseparator.
In der Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung, also gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in dem Pressschneckenseparator, wird in Schritt d) eine Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes unter Bildung einer Gärrestfestphase und einer Gärrestflüssigrohphase durchgeführt. Der in Schritt b) aus der Trockenfermentation erhaltene Gärrest ist somit in eine Gärrestfestphase und eine Gärrestflüssigrohphase aufgeteilt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die in Schritt d) erhaltene Gärrestfestphase in Schritt do) in eine Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material überführt und in Schritt di) eine Kompostierung der in Schritt d) erhaltenen Gärrestfestphase in der Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material durchgeführt. Diese Kompositierung in Schritt di) erfolgt bevorzugt ohne Zumischung von zusätzlichem, unbehandelten biologischen Substrat. Die verkürzte Verweilzeit des Substrats im Trockenfermenter bewirkt nämlich, dass ein gegenüber herkömmlichen Anlagen höherer Anteil an organischem Material nach Durchführen einer Fest-/Flüssig- Trennung des Gärrestes aus der Trockenfermentation als Gärrestfestphase einem nachgeschalteten Rotteprozess zugeführt werden kann. Dieser Rotteprozess kommt dann in der Regel ohne Zumischung von frischen Bioabfällen aus. Dennoch wird eine Rotte mit ausreichend hoher Temperatur und damit guter Hygienisierung und weitgehender Wasserreduzierung erzielt, so dass das kompostierte Material anschließend den Vorgaben der Gütegemeinschaft Kompost genügt.
Die in Schritt d) erhaltene Gärrestflüssigrohphase wird in Schritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen überführt. Bei der Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen handelt es sich bevorzugt um eine Presse, einen Grit Abscheider, einen Dekanter, ein Sieb oder um ein Absetzbecken. In dieser Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen wird dann in Schritt f) eine Abscheidung von Feststoffen aus der Gärrestflüssigrohphase unter Gewinnung einer Gärrestflüssigphase durchgeführt.
In Schritt g) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in Schritt f) erhaltene Gärrestflüssigphase in eine Vorrichtung zur Nassfermentation eingebracht. In dem Nassfermenter wird gemäß Schritt h) eine Nassfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Flüssiggärrestes durchgeführt.
Gemäß Schritt i) wird zumindest einem Teil des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation rückgeführt.
Für den Fall, dass nicht sämtlicher Flüssiggärrest als Inokulum benötigt wird, ist eine Vorrichtung zur Hygienisierung von Flüssiggärrest vorgesehen, mit deren Hilfe eine Hygienisierung des überschüssigen Flüssiggärrestes durchgeführt werden kann. In diesem Fall wird bevorzugt als Schritt i) der Schritt i) Rückführung eines ersten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation und Überführen eines zweiten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes in eine Vorrichtung zur Hygienisierung durchgeführt und nach Schritt i) der Schritt j) Hygienisierung des zweiten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes unter Bildung eines landwirtschaftlich nutzbaren biologischen Materials durchgeführt. Durch diese Hygienisierung kann der bei der Nassfermentation gebildete Flüssiggärrest, der nicht als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation rückgeführt wird, als Landwirtschaftsdünger auf landwirtschaftlichen Nutzflächen verbracht werden.
Die Hygienisierung in Schritt j) erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 70°C mit einer Aufenthaltszeit des Flüssiggärrestes von 60 min. Unter diesen Bedingungen wird eine besonders optimale Hygienisierung erreicht, wodurch sämtlicher in Schritt h) gebildeter Flüssiggärrest, der nicht als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation rückgeführt wird, als Landwirtschaftsdünger auf landwirtschaftlichen Nutzflächen verbracht werden kann.
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sehr hohe Gaserträge erzielt, da aufgrund der Kombination von Trocken- und Nassfermentation, welche durch die zwischengeschalteten Trennschritte möglich wird, das Ausgangsmaterial komplett ausgefault bzw. hygienisiert wird, jedoch aufgrund der verkürzten Verweilzeit im Trockenfermenter im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen insgesamt mehr Gärsubstrat eingebracht werden kann.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Verarbeitung von biologischem Substrat mit den Schritten: a) Einbringen des biologischen Substrats in eine Vorrichtung zur
T rockenfermentation, b) Durchführung einer Trockenfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Gärrestes, c) Überführen des in Schritt b) erhaltenen Gärrestes in eine Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung, d) Durchführung einer Fest-/Flüssig-Trennung des Gärrestes unter Bildung einer Gärrestfestphase und einer Gärrestflüssigrohphase, e) Überführen der in Schritt d) erhaltenen Gärrestflüssigrohphase in eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen, f) Durchführung einer Abscheidung von Feststoffen aus der Gärrestflüssigrohphase unter Gewinnung einer Gärrestflüssigphase, g) Einbringen der in Schritt f) erhaltenen Gärrestflüssigphase in eine Vorrichtung zur Nassfermentation, h) Durchführung einer Nassfermentation zur Gewinnung von Methan unter Bildung eines Flüssiggärrestes, i) Rückführung von zumindest einem Teil des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Schritt i) der Schritt i) Rückführung eines ersten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation und Überführen eines zweiten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes in eine Vorrichtung zur Hygienisierung durchgeführt wird und nach Schritt i) der Schritt j) Hygienisierung des zweiten Anteils des in Schritt h) gebildeten Flüssiggärrestes unter Bildung eines landwirtschaftlich nutzbaren biologischen Materials durchgeführt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in Schritt j) die Hygienisierung bei einer Temperatur zwischen 65°C und 75°C, bevorzugt bei einer Temperatur von 70°C, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei in Schritt j) die Hygienisierung mit einer Aufenthaltszeit des Flüssiggärrestes zwischen 45 min und 75 min, bevorzugt mit einer Aufenthaltszeit von 60 min, erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nach Schritt d) die Schritte do) Überführen der in Schritt d) erhaltenen Gärrestfestphase in eine Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material und di) Durchführung einer Kompostierung der in Schritt d) erhaltenen Gärrestfestphase in der Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material durchgeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in Schritt di) die Kompostierung ohne Zumischung von zusätzlichem, unbehandelten biologischen Substrat erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abscheidung von Feststoffen aus der Gärrestflüssigrohphase unter Gewinnung einer Gärrestflüssigphase in Schritt f) durch eine Dichtetrennung erfolgt, insbesondere durch eine Dichtetrennung unter Verwendung einer Presse, eines Grit Abscheiders, eines Dekanters, eines Siebs oder eines Absetzbeckens.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die in Schritt g) in die Vorrichtung zur Nassfermentation eingebrachte Gärrestflüssigphase einen Trockensubstanzanteil von kleiner 15% aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die in Schritt h) durchgeführte Nassfermentation unter Zumischung von zusätzlichem biologischen Substrat erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem in Schritt h) zugemischten zusätzlichen biologischen Substrat um Gülle, Speiseabfälle, Lebensmittelreste, Marktabfälle oder Mischungen dieser Substrate handelt. - 15 -
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in Schritt b) die Trockenfermentation zur Gewinnung von Methan mit einer Verweilzeit des biologischen Substrats in der Vorrichtung zur Trockenfermentation von 10 bis 19 Tagen, bevorzugt mit einer Verweilzeit von 12 bis 17 Tagen, durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei es sich bei den in Schritt f) aus der Gärrestflüssigrohphase abgeschiedenen Feststoffen um Steine, Sand, Glas und/oder Metallstücke handelt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das in Schritt a) in die Vorrichtung zur Trockenfermentation eingebrachte biologische Substrat einen Trockensubstanzanteil zwischen 15% und 60%, bevorzugt zwischen 25% und 50%, aufweist.
14. Anlage zur Verarbeitung von biologischem Substrat umfassend
- zumindest eine Vorrichtung zur Trockenfermenation,
- zumindest eine Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung,
- zumindest eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen,
- zumindest eine Vorrichtung zur Nassfermentation und
- zumindest eine Vorrichtung zur Rückführung von Flüssiggärrest als Inokulum in die Vorrichtung zur Trockenfermentation.
15. Anlage nach Anspruch 14, wobei zusätzlich eine Vorrichtung zur Hygienisierung von Flüssiggärrest vorgesehen ist.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei zusätzlich eine Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material vorgesehen ist.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei es sich bei der Vorrichtung zur Trockenfermentation um einen Pfropfenstromfermenter handelt.
18. Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei es sich bei der Vorrichtung zur Fest-/Flüssig-Trennung um einen Pressschneckenseparator handelt.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei es sich bei der Vorrichtung zur Abscheidung von Feststoffen um eine Presse, einen Grit Abscheider, einen Dekanter, ein Sieb oder um ein Absetzbecken handelt.
20. Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei es sich bei der Vorrichtung zur Kompostierung von biologischem Material um eine Nachrotte handelt.
PCT/EP2021/074157 2021-09-01 2021-09-01 Verfahren und anlage zur verarbeitung von biologischem substrat WO2023030624A1 (de)

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