DD217786A1 - Verfahren zur gewinnung von biogas aus guelle oder klaerschlamm - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Energie in Form von Biogas durch Kultivierung von Bakterien auf Guelle oder Klaerschlamm. Nach den bekannten Verfahren der anaeroben Fermentation von Guelle oder Klaerschlamm sind zur Aufrechterhaltung der Stoffwechseltaetigkeit der Methanbakterien im mesophilen Bereich 30 bis 50 % der erhaltenen Energiemenge im Jahresmittel als Prozessenergie notwendig, was die Effizienz von Verfahren zur Erzeugung von Biogas stark herabmindert. Desweiteren sind mikrobiell schwer abbaubare Inhaltsstoffe der Guelle bzw. des Klaerschlammes wie Lignozellulosen u. a. fuer die Methanbildung nicht nutzbar. Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch eine fermentative Vorbehandlung schwer zugaengliche Inhaltsstoffe der Guelle oder des Klaerschlammes aufzuschliessen und die Waerme des exergonisch ablaufenden aeroben Voraufschlusses als Prozessenergie zu nutzen. Das Ziel wird erreicht, indem die Guelle in einer aeroben Vorstufe einer intensiven Belueftung unterzogen wird. Die dabei freiwerdende Waerme dient als Prozessenergie fuer die nachfolgende anaerobe Stufe, es liegt also der ideale Fall vor, dass Substrat und Waermetraeger in einer Komponente vereinigt sind. Die aerobe Vorstufe ist mikrobiologisch durch eine Mischpopulation gekennzeichnet, in der potente fermentative Kulturen eine dominante Rolle spielen. Dabei werden Bestandteile der organischen Substanz der Methanbildung zugaenglich gemacht, die ohne Vorbehandlung nicht genutzt werden. Dieser freiwerdende Anteil an organischer Substanz betraegt ein Vielfaches von dem Anteil, der durch Oxydation zu Kohlendioxid (Betriebsstoffwechsel) fuer die Erwaermung der Guelle verbraucht wird. Die Erfindung kann in Anlagen der Tierproduktion, in denen Guelle anfaellt, sowie zur Klaerschlammkonditionierung genutzt werden.

Description

Titel der Erfindung .
Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Gülle oder Klärschlamm
' * . '
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung besteht in einer Kombination aerober und anaerober Verfahrenaschritte zur Erzeugung von B(iogas aus Gülle oder Klärschlamm, insbesondere von Rinder- und Schweinegülle bei gleichzeitiger Reduzierung unerwünschter Inhaltestoffe. Die Erfindung gehört in das Gebiet der .technischen Mikrobiologie und kann in Anlagen der industriellen Tierproduktion sowie allen Anlagen, in denen Güllje bzw. Klärschlamm anfallen, genutzt werden·
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Die bekannten Erfindungsbeschreibungen mit einer Kombination aerober und anaerober Verfahrensschritte haben die Zielstellung der Konditionierung kommunaler Abwasserschlämme. Die in JDE 28 05 054 dargelegte Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Abbau von Schlamm, bei dem wenigstens ein Teil des Schlammes durch mindestens zwei abgedeckte Abbauzonen geleitet und dabei unter Bildung von stabilisiertem Schlamm und Methangas nacheinander aeroben und anaeroben Bedingungen ausgesetzt wird.
In der ersten abgedeckten Abbauzone werden der Schlamm und ein mindestens 50 Vol. % Sauerstoff enthaltendes Belüftungsgas eingeleitet, wobei der Schlamm bei eine* Temperatur im thermbphilen Bereich von 450C bis 750C gehalten wird.
, ' ' ;': - 2 - · .' ' ' ·. · ' Dazu muß der Schlamm vorgewärmt werden, wozu ein Teil des aus der zweiten .Abbaus.tufθ anfallenden Methangases notwendig ist. Während einer Verweildauer von 4 bis 48 Stunden tritt eine teilweise Verminderung des Gehaltes an biologisch abbaufähigen flüchtigen Schwebstoffen ein.
Der teilstabiliaierte Schlamm wird in einer zweiten Abbauzone bei einer Temperatur von 350C bis 400C unter anaeroben Bedingungen ausgefault und dabei biologisch weiter abgebaut. Dieses Verfahren beansprucht einen großen Teil des erhaltenen Klärga* ses zui? Prozeßführung für die erste Abbaustufe* Weiterhin ist die Bereitstellung eines Belüftungsgases mit einem Sauerstoffanteil von 50 Vol. % bis 30 Vol. % mit hohen Aufwendungen verbunden.
Auch das in DE -OS 15 84 958 beschriebene Verfahren hat als technologische Zielstellung die Stabilisierung von Klärschlamm. Erfindungsgemäß wird die Zielstellung dadurch gelöst, daß der aeroben Schlammstabilisierung eine anaerobe nachgeschaltet ist, um die nach der aeroben Stufe verbleibenden Reste organischer Substanz fast vollständig zu mineralisieren. Dabei wird der Klärschlamm nach längerer Belüftung durch mehrere Faultürme geleitet, wobei auch Huminstoffe völlig zersetzt werden sollen.
Der Aufwand an Energie für diese Schlammineralisierung ist erheblich und nur in sehr kleinen Größenordnungen realisierbar»
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Biogas aus Gülle oder Klärschlamm, wobei durch eine fermentative Vorbehandlung die spezifische Biogasausbeute erheblich erhöht wird und die während der aeroben Vorbehandlung anfallende Wärme als Prozeßenergie für die anaerobe Fermentationsstufe genutzt wird. Gleichzeitig werden Gülle bzw. Klärschlamm von umweltbelastenden Inhaltsstoffen befreit· .
Darlegung des Wesens der Erfindung -
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die in der Gülle bzw. im Klärschlamm vorhandenen organischen Inhaltsstoffe maximal für die mikrobielle Biogassynthese zu nutzen sowie den Aufwand an zuzuführender Prozeßenergie drastisch zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gülle oder der Klärschlamm vor der eigentlichen anaeroben Gärung einer fermentativen Vorbehandlung unter aeroben Bedingungen unterzogen wird. Durch diese Vorbehandlung wird eine maximale mikrobielle Biogassynthese bei gleichzeitigem maximalem Abbau organischer und anorganischer Inhaltsstoffe mit Hilfe von Bakterien erreicht. Der Abbau der organischen Inhaltsstoffe ist über den BSBc bestimmbar und der so ermittelte Abbaugrad kann 90 % betragen. :·': ":'. '. ' -. . - .' ,..-. ",
Durch die aerobe Vorbehandlung werden leicht veratembare Inhaltsstoffe der' Gülle bzw· des Klärschlammes mit Hilfe von Luftsauerstoff zu Kohlendioxid oxydiert, die dabei frei werdende Energie erwärmt die Giille in Abhängigkeit von der Sauer-r stoffzufuhr. Durch diese Erwärmung entfällt die Zufuhr externer Prozeßenergie. Die dabei für die Methanbildung nicht mehr verfügbare Menge veratmeter organischer Substanz wird durch:den AufSchluß'sonst für die Methanbildung nicht zugänglicher Inr •hai fs stoffe mehr als kompensiert·
Bei der Lösung der Aufgabe werden bereits bekannte Elemente aerober und anaerober Güllereinigungsteehnologien sowie der Klärschlammkonditionierung so kombiniert und weiterentwickelt bzw. modifiziert, daß sich insgesamt ein geschlossener Verfah-/ renszug ergibt.
Jede Fermentationsstufe hat einen spezifischen Anteil am Ge<samtprozeß. '
Der tragende Gedanke der Erfindung ist, eine optimale Biogasproduktion ohne Zusatz externer oder aus dem erzeugten Biogas gewonnener Energieträger (Warmwasser, Dampf etc.) zu realisieren und so die Zielstellung nicht nur prinzipiell, sondern auch energiewirtschaftlich und damit ökonomisch akzeptabel zu verwirklichen·
In dem erfindungsgemäßeη Verfahren erfolgt die Verwertung der Inhaltsstoffe der Gülle oder des Klärschlammes durch eine kontinuierliche Fermentation in 2 Verfahrens schritten-· Im ersten Abschnitt wird in die Gülle/den Klärschlamm mittels eines Belüftungsaggregates in einem geschlossenen Behälter intensiv Luftsauer stoff eingetragen· Dabei erwärmt sich das Reaktionsmedium auf 300C bis 450Cy die Fermentation verläuft im schwach alkalischen Bereich. Die Belüftungsintensität und damit die Wärmetönung der Reaktion wird in bestimmten Grenzen geregelt«.
Durch die Wahl eines Rundbehälters mit optimalem Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche werdenWärmeVerluste durch Abstrahlung auf ein Mindestmaßreduziert· Die aerobe Vorstufe ist mikrobiologisch durch eine synthrophe Mischpopulation mit wirksamen fermentativen Bakterienkulturen gekennzeichnet, die in der zweiten Stufe infolge Sauerstoffmangels absterben und so der Methangärung voll zugänglich werden· " ' · '.>':.: ' "· ' ''' ' -.' ' Die Prozeßführung der ersten Stufe ist über den Sauer stoffeintrag steuerbar, der aus der Zuluftmenge und der Sauerstoffkonzentration in der Abluft leicht bestimmbar Ist· Durch die aerobe Vorbehandlung werden der Methanbildung nicht zugängliche Inhaltsstoffe der Gülle oder des Klärschlammes wie durch Lignin krustierte Zellulosen bakteriell verwertbar, was über den BSBc analytisch verfolgt werden kann· Durch hohe BSBC-Werte sowie die hohe mikrobielle Aktivität verlieren die Gülle oder der Klärschlamm sofort nach Verlassen des Belüftungsbehälters ihren aeroben Charakter, das heißt, daß das für die Stoffwechsel tat igke it der Anaerobier der zweiten Verfahrensstufe notwendige sauerstofffreie Milieu durch den "sauerstoffzehrenden" Charakter belüfteter Gülle bzw· belüfteten Klärschlammes voll gewährleistet wird·
In der zweiten Stufe werden die organischen Inhaltsstoffe des vorbehandelten Reaktionsmediums durch eine synthrophe Mischkultur fermentativer, acetogener und methanogener Bakterien
unter anaerobeh Bedingungen im mesophilen Bereich teilweise in Methan und Kohlendioxid umgewandelt· Der Permentationsprozeß ist gekennzeichnet durch
- eine Temperatur von 3O0C bis 450C für den ere ten Verfahrens-'' schritt
-. einen pH-Wert zwischen 7 und 9 für den ersten Verfahrensschritt
- einer mittleren Verweilzeit von 10 bis 20 Stunden für den ersten Verfahrensschritt
- einem Sauer stoffe intrag zwischen 120 bis 550 kg/hy .vorzugsweise 180 bis 300 kg/h für den ersten Verf ahrens schritt
*- eine Temperatur von 240C bis 360C, vorzugsweise 290C bis 360C für die Methanbildung
- einen pH-Wert zwischen 7,5 und 9 für die Methanbildung
- einer Verweilzeit zwischen 5 bis 35 Tagen, vorzugsweise 10 bis 25 Tagen für die Methanbildung# ,'/· Y. " '''~
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Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwärtig angewandten Verfahren zu anaeroben Gülleaufbereitung oder/ Klärschlammfaulung sind:
«Höhere spezifische Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Trockensubstanz und damit erhebliche Erhöhung der Effizienz von Biogasanlagen durch aerobe Vorbehandlung
- Drastische Reduzierung des Bedarfs an Prozeßenergie lediglich für die Antriebsleistung des Belüftungsaggregates sowie von Pumpen und Durchmischungsaggregaten.
- Keine zusätzlichen Bauaufwendungen für die Erzeugung von Wärme trägern , ,
-Keine Verluste durch Wärmeübertragung, weil Wärmeträger und
Substrat in einem Medium vereinigt sind -Verwendung von Luft sauer st off für die aerobe Vorbehandlung«
Ausführungsbeispiel ' ,
Die im Rahmen des Verfahrensbeispieles eingesetzte Gülle entstammt einer industriellen Schweinezuchtanlage· Die Größenordnung und die Methoden der Tierhaltung einschließlichdes angewendeten Fütterungsregimes bedingen eine in bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgülle mit Trockensubstanzgehalten zwischen 2,5 und 4 %* Im Ausführungsbeispiel wird eine Rohgülle mit folgenden Stoffkennwerten eingesetzt: TS 27,1 g/l; oTS 21,0 g/l; ops 5,2 g/l; IK 2,4 g/l; NHJ-K 1,2 g/l; BSB5 12,5 g/l. Die erste Fermentationsstufe verläuft kontinuierlich bei einer Temperatur von 380C bis 400C, einem pH-Wert von 7,8 und einer mittleren Verweilzeit von 12 bis 14 Stunden, wobei 200 bis 240 kg Sauerstoff pro Stunde (Zulauf 33 nr/h) in das Reaktionsmedium eingetragen werden· Dazu werden zum Betreiben des Belüftungsaggregates 120 bis 140 kWh Elektroenergie benötigt. Der Fermentorauslauf wird u.a. durch folgende Parameter beschrieben: TS 27,0 g/l; oTS 21,0 g/lj cps 3,5 g/l; % 2,3 g/1; fflJ-U 1,3 g/l; BSB5 15,3 g/l. Die aerob vorbehandelte Gülle wird anaerob mit mittleren Verweilzeiten im Permentor von 10 bia 20 Ta,gen behandelt· Die Fermentation verläuft bei einer Temperatur von 330C und einem pH-Wert von 8,3 bis 8,4·
Die Temperatur von 330C wird durch kontinuierlichen Zufluß voraufgeschlossener und dabei erwärmter Gülle aus der ersten Stufe aufrechterhalten,
Für eine mittlere Verweilzeit von 20 Tagen ist der Fermentorablauf durch folgende Stoffkennwerte gekennzeichnet: TS 20,6 g/l; oTS H,8 g/l; cps 1,4 g/l} % 2,3 g/l; NhJ-N 1,7 g/l; BSB5 1,2 g/l.
Die spezifische Biogasausbeute beträgt 0,59 l/g oTS, für nicht aerob vorbehandelte Gülle 0,45 l/g oTS. Der Methananteil im entstehenden Biogas ist 73 bis 74 Der Abbau des BSB^ für beide Verfahrensschritte beträgt ca· 90 %· · .

Claims (3)

.; . - 7 ~ · · . . t, ' . Srf indungsansprüoh
1, Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Gülle oder Klärschlamm, bei dem die Gülle oder der Klärschlamm durch mindestens zwei geschlossene Behälter oder einen offenen und einen geschlossenen Behälter geleitet werden und dabei nacheinander aeroben und anaeroben Bedingungen ausgesetzt werden gekennzeichnet dadurch, daß Gülle oder Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 2 bis 12 % in einer ersten Fermentationsstufe mit einem Sauerstoffein trag zwischen 120 bis 550 kg/h, vorzugsweise 180 bis 300 kg/h, intensiv belüftet werden, wobei durch oxidative Abbauprozes-
' se die Gülle oder der Klärschlamm auf 25°C bis 5O0C erwärmt werden und ein VoraufSchluß der Gülle oder des Klärschlamms bewirkt wird; daß die Verweilzeit in der ersten Stufe 7 bis 20 Stunden beträgt; daß voraufgeschlossene und erwärmte Gülle oder Klärschlamm und an Sauerstoff verarmtes Abbaugas aus der ersten Fermentationsstufe getrennt ausgetragen werden; daß vorauf geschlossene und erwärmte Gülle oder Klärschlamm aus der ersten Fermentationastufe einem zweiten Behälter zugeführt werden und hier unter anaeroben Bedingungen bei einer Temperatur von 250O bis 450C und einer mittleren Verweilzeit von 5 bis 35 Tagen gehalten werden, wobei der Gehalt der Gülle oder des Klärschlammes an organischer Trockensubstanz auf 80 % bis 50 %äeß Gehaltes der in die erste Fermentationsstufe eingeleiteten Gülle bzw» des Klärschlammes gesenkt wird·
2, Verfahren nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die der ersten Fermentationsstufe zugeführte Gülle oder der Klärschlamm durch Wärmetausch mit Fermentorablauf der zweiten Stufe νorerwärmt wird·
3, Verfahren nach Punkt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, daß der Trockensubstanzgehalt der der .anaeroben Stufe zugeführten Gülle oder des Klärschlammes dem des Zulaufes der ersten Fermentationsstufe entspricht oder um maximal 10 % reduziert ist«
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