DE3307796C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum anaeroben Abbau organischer Substrate, bei dem die Substrate in zwei räum­ lich getrennten Abbauphasen behandelt werden und bei dem die eine Abbauphase als Säurebildungsphase und die andere Abbauphase als Acetat- und Methanbildungsphase verwendet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens.

Bekanntlich erfolgt der Abbau komplexer organischer Ver­ bindungen, die sofern sie biogener Herkunft sind, im wesentlichen aus Kohlehydraten, Fetten und Eiweißstoffen bestehen, in vier ineinandergreifenden Prozeßstufen. Als erstes werden in einem Hydrolyseschritt ungelöste Polymere durch Enzyme in gelöste Produkte überführt. Die gelösten organischen Verbindungen werden anschließend zu organischen Säuren, wie Essigsäure, Propion­ säure, Buttersäure und niedrige Alkohole, Aldehyde sowie H₂ und CO₂ umgesetzt. Da von diesen Zwischenprodukten Methanbakterien nur Essigsäure, H₂ und CO₂ direkt zu Methan umwandeln können, werden weiterhin in einer acetogenen Phase organische Säuren und Alkohole zu Essigsäure, H₂ und CO₂ umgebaut, wobei die entsprechenden Bakterien aus reaktionskinetischen Gründen eng mit Methanbakterien vergesellschaftet sein müssen. In einem streng anaeroben Milieu kann dann schließlich bei pH-Werten von 6,7 bis 8 aus Essigsäure, H₂ und CO₂ Methan gebildet werden. Es ist bekannt, den Hydrolyseschritt und die Säurebildungsphase räumlich getrennt von der Acetat- und Methanbildungsphase durchzuführen.

Zur Erzielung eines hohen Gasertrages aus einer gegebenen Substratmenge ist es notwendig, die Mikroorganismen aus­ reichend mit Nährstoffen zu versorgen, die Verweilzeit für die einzelnen Substratkomponenten auf deren Abbauzeit ab­ zustimmen und die dem Medium zur Aufrechterhaltung der optimalen Prozeßtemperatur zugeführte Wärme gleichmäßig in diesem zu verteilen. Um gleichzeitig auch in einem ge­ gebenen Reaktionsvolumen den Stoffumsatz zu erhöhen, um damit eine hohe Gasmenge je Volumen- und Zeiteinheit zu erzielen, muß die Konzentration an organischer Substanz und an aktiver Biomasse in der Reaktorfüllung möglichst hoch gehalten werden.

Als organische Substrate, die auf diese Weise abgebaut und zur Biogaserzeugung genutzt werden können, kommen vor allem industrielle und gewerbliche Abwässer, Abwasserschläm­ me sowie organische Rest- und Abfallstoffe in Frage, wobei für die Verarbeitung von organischen Feststoffen genügend Zell- und Oberflächenwasser vorhanden sein muß.

Die Hauptbestandteile von Biogas sind CH₄ und CO₂, deren Anteile von der Zusammensetzung des Ausgangssubstrats und der Prozeßführung, d.h. von der Temperatur, der Ver­ weilzeit und der Raumbelastung in den Anaerobreaktoren, abhängen. Neben diesen beiden wichtigsten Gaskomponenten enthält Biogas geringe Mengen an H₂, H₂S und N₂. Durch den hohen Anteil an CO₂ im Biogas, der 30 bis 45% betragen kann, wird der Heizwert, die Zündgeschwindigkeit sowie die Zünd­ temperatur von Biogas negativ beeinflußt. Darüber hinaus steht die hohe Festausscheidungstemperatur von CO₂ einer wirtschaftlichen Verflüssigung und Komprimierung von Biogas für die Verwendung als Treibstoff entgegen. Aus diesem Grund ist es bekannt, das CO₂ mittels einer Gas­ wäsche aus dem Biogas abzutrennen. Dies ist jedoch nur mit hohem Aufwand möglich und deshalb eigentlich nur bei einer täglich anfallenden, sehr großen Menge an Biogas und bei Weiterverwendung des entzogenen CO₂ sinnvoll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens so auszugestalten, daß auf einfache und wirtschaftliche Weise der CO₂-Anteil im Biogas verrin­ gert bzw. ganz ausgeschlossen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Einleiten des Ablaufs aus der Säurebildungsphase in die Acetat- und Methanbildungsphase aus dem Ablauf Kohlen­ dioxid entfernt wird.

Da der Ablauf aus der Säurebildungsphase eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits-Schlammgemisch ist, in dem das in der Säurebildungsphase als Stoffwechselprodukt anfallende CO₂ gelöst ist, ist zur Abtrennung des CO₂ an dieser Stelle des Verfahrens keine aufwendige Gaswäsche mehr wie bisher erforderlich. Das in der nachfolgenden Acetatbil­ dungsphase aus organischen Säuren und aus organischen Verbindungen unter anderem entstehende CO₂ wird dabei in der Regel nur in einer solchen Menge erzeugt, daß es in der Methanbildungsphase von den dort vorherrschenden Bakterien zu Methan und anderen Produkten abgebaut wer­ den kann.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, wenn die Entfernung des Kohlendioxids in Abhängigkeit des Kohlendioxid­ anteils des aus der Acetat- und Methanbildungsphase abgezo­ genen Biogases und/oder in Abhängigkeit des pH-Wertes in der Acetat- und Methanbildungsphase geregelt und/oder ge­ steuert wird. Mit der Einhaltung nur ganz geringer bis gar keiner CO₂-Anteile im Biogas oder mit der Einhaltung der für die Methanbildungsphase erforderlichen pH-Werte von 6,7 bis 8 wird sichergestellt, daß in der Methanbildungsphase genü­ gend CO₂ vorhanden ist, damit die Methanisierung auch voll­ ständig ablaufen kann. Falls das bei der Acetat-Bildung an­ fallende CO₂ zur Ermöglichung einer vollständigen Methani­ sierung nicht ausreicht, kann dann die CO₂-Entfernung aus dem Ablauf der Säurebildungsphase so eingestellt werden, daß gerade ein solcher Anteil an gelöstem CO₂ mit in die Acetat- und Methanbildungsphase übergeleitet wird, der zur vollstän­ digen Methanisierung ausreicht.

Zur Entfernung des CO₂ wird dabei der Ablauf zweckmäßiger­ weise mit Luft gestrippt. Dies kann beispielsweise dadurch 0erfolgen, daß der Ablauf in einem Becken gesammelt und Luft unter Druck von unten nach oben durch das Becken geleitet wird.

Die nach dem Strippvorgang vorliegende, mit CO₂ beladene Abluft wird mit Vorteil in einem Kompostfilter gereinigt.

Da die Temperatur in einem Anaerobprozeß, wie anfangs be­ reits erwähnt, eine wesentliche Rolle spielt, ist es nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zweckmäßig, die Strippluft vor dem Einleiten in den Ablauf aus der Säurebildungsphase anzuwärmen und gleichzeitig auch zu befeuchten. Die Anwärmung sollte dabei zumindest auf die Temperatur des Ablaufs erfolgen, während eine Befeuchtung bis zum Sättigungswert sinnvoll ist. Damit wird erreicht, daß der Ablauf durch das Einleiten der Strippluft nicht unnötigerweise abgekühlt wird, wobei durch die Befeuchtung der Strippluft ein Wärmeverlust des Ablaufs durch Wasserver­ dampfung vermieden werden kann, da dann die abzuleitende Ab­ luft kaum noch Feuchtigkeit aufnehmen kann.Die Vorwärmung der Strippluft kann beispielsweise durch Wärmetausch mit dem aus der Acetat- und Methanbildungsphase ablaufenden, behan­ delten Substrat oder mit Hilfe des aus der Acetat- und Me­ thanbildungsphase abgezogenen Biogases erfolgen. Zusätzlich kann auch die nach der Strippung abgezogene Abluft zur Vor­ wärmung der Strippluft verwendet werden. Bei der Abkühlung der Abluft kondensiert dann der enthaltene Wasserdampf, so daß dieser zur Befeuchtung der Strippluft herangezogen wer­ den kann.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt zwei Anaerobreaktoren, bei der der eine Anaerobreaktor als Säurebildungsreaktor und der andere Anaerobreaktor als Acetat- und Methanbildungsreaktor mit einer Biogasableitung ausgebildet ist und bei der der Ablauf des Säurebildungs­ reaktors an den Acetat- und Methanbildungsreaktor angeschlos­ sen ist. Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ablauf eine Strippeinrichtung mit einer Luftzufuhrleitung und einer Abluftableitung zum Aus­ strippen von CO₂ angeordnet ist.

Vorteilhafterweise ist dabei in der Luftzufuhrleitung ein Regelorgan angeordnet, das Regelorgan an die Ausgangsseite einer Regelungs- und/oder Steuereinheit angeschlossen und die Eingangsseite der Regelungs- und/oder Steuereinheit an eine CO₂-Meßeinrichtung in der Biogasableitung und/oder eine pH-Wert-Meßeinrichtung im Acetat- und Methanbildungsreaktor angeschlossen. In der Regelungs- und/oder Steuereinheit kann dann ein in der Biogasableitung gemessener Istwert für den CO₂-Gehalt des Biogases bzw. ein im Acetat- und Methanbildungsreaktor gemessener Istwert für den pH-Wert mit einem Sollwert verglichen und dementsprechend die Menge der Strippluft in der Luftzufuhrleitung mit Hilfe des Regel­ organs erhöht oder erniedrigt werden. Die Sollwerteinstellung für den CO₂-Gehalt in der Biogasableitung sollte dabei auf weni­ ger als 1% vorgewählt werden, da dann sichergestellt ist, daß zum einen im Biogas nur wenig, die Eigenschaften des Biogases nicht negativ beeinflussendes CO₂ enthalten ist und daß zum anderen die Methanisierung im Acetat- und Methanbildungsreak­ tor auch vollständig ablaufen kann. Die Sollwert-Einstellung des pH-Wertes sollte, wie bereits erwähnt, zwischen 6, 7 und 8 liegen.

Zur Reinigung der Abluft ist es zweckmäßig, wenn die Abluft­ ableitung mit einem Kompostfilter in Verbindung steht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in . der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgezeigt.

Über einen Zulauf 1 a wird organisches Substrat, bestehend bei­ spielsweise aus Industrieabwässern, aus Abwasserschlämmen, aus Abfallstoffen der Landwirtschaft oder aus einer Mischung der angegebenen Substrate, einem als Säurebildungsreaktor verwendeten ersten Anaerobreaktor 1 zugeführt. Aus dem Säure­ bildungsreaktor 1 wird teilbehandeltes organisches Substrat über einen Ablauf 3 in einen als Acetat- und Methanbildungs­ reaktor verwendeten zweiten Anaerobreaktor 2 übergeleitet, der eine Ableitung 4 für behandeltes organisches Substrat sowie eine Biogasableitung 5 aufweist.

Die Anaerobreaktoren können beispielsweise als volldurchmi­ schte Reaktoren mit einmaligem Durchfluß, als anaerobe Be­ lebungsbecken mit Schlammrückführung über Nachklärbecken, als Aufstromreaktoren mit interner Schlammrückhaltung oder als anaerobe Festbett- oder Wirbelbettreaktoren ausgebildet sein.

Das während der Säurebildungsphase im ersten Anaerob­ reaktor 1 gebildete CO₂ bleibt größtenteils in der wäßri­ gen phase gelöst und wird erst im zweiten Anaerobreak­ tor 2 zusammen mit dem dort entstehenden CO₂ größtenteils entbunden, so daß das bei bisher bekannten Anlagen in der Biogasableitung abgezogene Biogas zwischen 20 und 50% CO₂ enthält, das die weitere Verwendung des Biogases negativ beeinflußt.

Zur zumindest weitgehenden Vermeidung des CO₂-Anteils im Biogas ist deshalb erfindungsgemäß im Ablauf 3 des ersten Anaerobreaktors 1 eine Strippeinrichtung 6 mit ei­ ner Luftzufuhrleitung 7 und einer Abluftableitung 8 vor­ gesehen, mit deren Hilfe das im ersten Anaerobreaktor 1 gebildete CO₂ aus den Ablauf 3 ausgestrippt werden kann. Wie dargestellt, wird dabei die Luft unter Druck von unten nach oben durch eine im Ablauf 3 gebildete Kammer geleitet.

Um im Biogas den CO₂-Anteil auf einen möglichst geringen Wert reduzieren zu können und gleichzeitig aber eine voll­ ständige Methanisierung im zweiten Anaerobreaktor 2 zu er­ reichen, ist in der Biogasableitung 5 des zweiten Anaerob­ reaktors 2 eine CO₂-Meßeinrichtung 12 angeordnet, die an die Eingangsseite einer Regelungs- und/oder Steuer­ einheit 13 angeschlossen ist. In der Regelungs- und/oder Steuereinheit 13 wird der CO₂-Meßwert mit einem Sollwert verglichen und dementsprechend ein in der Luftzufuhrlei­ tung 7 angeordnetes Regelorgan 14, beispielsweise ein Regelventil, das an die Ausgangsseite der Regelungs­ und/oder Steuereinheit 13 angeschlossen ist, weiter ge­ öffnet oder geschlossen. Der Sollwert für den CO₂-Gehalt in der Biogasableitung sollte dabei auf 0,5 bis 1% eingestellt sein, da dann eine vollständige Methanisie­ rung im zweiten Anaerobreaktor 2 sicher ablaufen kann.

Da der anaerobe Abbau in den beiden Anaerobreaktoren 1, 2 unter erhöhter Temperatur abläuft, ist es zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch den Strippvorgang vorgesehen, die Luft in der Luftzufuhrleitung 7 anzuwärmen und zwar geeig­ neterweise auf eine im Ablauf 3 des ersten Anaerobreak­ tors 1 vorherrschende Temperatur. Dazu ist in der Luftzu­ fuhrleitung 7 ein Wärmetauscher 9 angeordnet, durch den die Abluftableitung 8 der Strippeinrichtung 6 geführt ist, so daß die Wärme der Abluft auf die Strippluft über­ tragen werden kann. Zusätzlich kann die Strippluft aber auch noch durch die im behandelten organischen Substrat enthaltene Wärme dadurch vorgewärmt werden, daß in der Ableitung 4 des zweiten Anaerobreaktors 2 ein Wärmetau­ scher 10 vorgesehen wird, durch den die Luftzufuhrlei­ tung 7 geführt ist.

Selbstverständlich kann der Wärmeinhalt des behandelten organischen Substrats stattdessen oder gleichzeitig auch zur Vorwärmung des dem ersten Anaerobreaktors 1 zuzulei­ tenden, zu behandelnden organischen Substrats verwendet werden. Ebenso ist es möglich, das Biogas zur Vorwärmung der Strippluft einzusetzen.

Zur Reinigung der aus der Strippeinrichtung 6 abgezogenen Abluft steht die Abluftableitung 8 vorzugsweise mit ei­ nem Kompostfilter 11 in Verbindung.

Claims (8)

1. Verfahren zum anaeroben Abbau organischer Substrate, bei dem die Substrate in zwei räumlich getrennten Ab­ bauphasen behandelt werden und bei dem die eine Ab­ bauphase als Säurebildungsphase und die andere Abbau­ phase als Acetat- und Methanbildungsphase verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einleiten des Ablaufs aus der Säurebildungsphase in die Acetat­ und Methanbildungsphase aus dem Ablauf Kohlendioxid entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung des Kohlendioxids in Abhängigkeit des Kohlendioxidanteils des aus der Acetat- und Methanbil­ dungsphase abgezogenen Biogases und/oder in Abhängig­ keit des pH-Wertes in der Acetat- und Methanbildungs­ phase geregelt und/oder gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Entfernung des Kohlendioxids der Ablauf mit Luft gestrippt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nach der Strippung vorliegende Abluft in einem Kompostfilter gereinigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strippluft vor dem Einleiten in den Ablauf an­ gewärmt und befeuchtet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit zwei Anaerobreaktoren, bei der der eine Anaerobreaktor als Säurebildungsreaktor und der andere Anaerobreaktor als Acetat- und Methan­ bildungsreaktor mit einer Biogasableitung ausgebildet ist und bei der der Ablauf des Säurebildungsreaktors an den Acetat- und Methanbildungsreaktor angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ablauf (3) eine Strippeinrichtung (6) mit einer Luftzufuhrlei­ tung (7) und einer Abluftableitung (8) zum Ausstrippen von CO₂ angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftzufuhrleitung (7) ein Regelorgan (14) angeordnet ist, das Regelorgan (14) an die Ausgangs­ seite einer Regelungs- und/oder Steuereinheit (13) angeschlossen ist und die Eingangsseite der Regelungs­ und/oder Steuereinheit (13) an eine CO₂-Meßeinrich­ tung (12) in der Biogasableitung (5) und/oder eine pH-Wert-Meßeinrichtung im Acetat- und Methanbildungs­ reaktor (2) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abluftableitung (8) mit einem Kompostfilter (11) in Verbindung steht.