Hauptfermenter für biotechnologische Prozesse und dazu Verfahren zur Erzeugung von Biogas und Gärschlamm

Die Erfindung betrifft einen Hauptfermenter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Er¬ zeugung von Biogas und Gärschlamm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.

Solche Anlagen werden zur Vergärung von Biomasse, insbe¬ sondere von Bioabfällen, eingesetzt, um Gärschlamm als Nutzprodukt und Biogas zur energetischen Verwertung zu gewi nen.

Industriell genutzte Biogasanlagen arbeiten grundsätz¬ lich nach dem Prinzip der anaeroben Gärung. Dabei wird die aus tierischen und pflanzlichen Abfällen bestehende Biomasse in der Regel mengendosiert, nach Bedarf sor¬ tiert, zerkleinert und angemaischt, bevor sie in einem Gärreaktor unter Licht- und Sauerstoffausschluß, bei ei¬ ner vorbestimmten Temperatur und bei einem turnusmäßigen oder ständigen Mischen vergoren wird. Das Mischen er¬ folgt zum Zwecke der Einmischung von Frischsubstrat und

zur Beseitigung von Sink- und Schwimmschichten und be¬ schleunigt damit den Gärungsprozeß. Das entstehende Bio¬ gas wird abgeleitet und für den weiteren Verwendungs¬ zweck in gesonderten Anlagen nachbehandelt. Der zurück¬ bleibende Garschlamm wird zu einem Düngemittel aufberei¬ tet.

Aus Wirtschaftl ichkeitsgrunden erfolgt die Garung vor¬ zugsweise im mesophilen Temperaturbereich, insbesondere zwischen 30 und 35°C. Die Beschickung des Garreaktors geschieht diskontinuierlich nach dem Batchverfahren oder kontinuierlich, indem die Biomasse standig oder im Zy¬ klus eingefüllt und der Garschlamm gleichermaßen abgezo¬ gen wird.

Das Kernstuck einer entsprechenden Biogaserzeugungsanla- ge ist der Garreaktor bzw. Hauptfermenter. Er wird ste¬ hend oder liegend angeordnet und besitzt eine Heizung, eine Außemsol lerung und eine Mischeinrichtung zum Um¬ schichten und Mischen der Biomasse. Die Mischeinrichtung ist auf die Reaktorform und auf die Art der Anordnung des Reaktors abgestimmt. Vorrangig werden mechanische oder pneumatische (Einpressen von Biogas) Mischeinrich¬ tungen eingesetzt. Bei einem stehenden Garreaktor werden höhere und bei einem liegenden Garreaktor geringere Ans¬ prüche an das Ruhrwerk gestellt. Nicht zuletzt deshalb hat sich die liegende Anordnung des Garreaktors ver¬ stärkt durchgesetzt, obwohl diese Art der Anordnung ei¬ nen relativ hohen Platzbedarf erfordert.

Bei allen mechanischen Mischeinrichtungen ist nachtei¬ lig, daß eine robuste und kostenintensive Mechanik er¬ forderlich ist, um die erheblichen Massen zu bewegen.

Der Effekt einer mechanischen Mischeinrichtung bleibt dabei stets gering, da die Mischeinrichtung nur Teilmen¬ gen gleichzeitig bewältigen kann und die nichtbewegten Massen nur schwerlich in den Wirkungsraum der Mischein¬ richtung nachfließen können. Darüberhinaus unterliegen die Bauteile einem ständigen Angriff durch die aggressi¬ ven Stoffe, wodurch die Lebensdauer solcher mechanischen Mischeinrichtungen relativ gering ist. Auf Grund der Leistungsgrenzen mechanischer Mischein¬ richtungen bleibt die unterstützende Wirkung einer gut vermengten Biomasse gering, was relativ lange Gärzeiten erfordert.

Es besteht die Aufgabe, einen Hauptfermenter für ein- und mehrstufige Prozesse zu entwickeln, der zur Schaf¬ fung einer homogenen Biomasse für die Erzeugung von Bio¬ gas und Gärschlamm geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 17 gelöst.

Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den je¬ weiligen Unteransprüchen.

Die Erfindung erhöht den Wirkungsgrad einer Anlage zur Herstellung von Biogas.

Durch den Wechsel von Druck und Entlastung in der Bio¬ masse und den damit verbundenen Massenverschiebungen werden in der Folge alle Massenteile in die Umschichtung einbezogen. Diese verbesserte Umschichtung verbunden mit dem wechselnden und erhöhten Betriebsdruck im Gärsack führt zu einer verbesserten Gasausnutzung und damit zu einer Verkürzung der Gärzeiten.

Darüberhinaus ist der Hauptfermenter einfach im Aufbau und kostengünstig in der Investition und in der Unter¬ haltung.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbei¬ spiel näher erläutert.

Dazu zeigen

Fig. 1: Bioreaktoranlage,

Fig. 2: Biorektoranlage in einem anderen

Betriebszustand Fig. 3: Bioreaktoranlage mit einer anderen

Anordnung des Druckspeichers für den

Ausgleichsbehälter Fig. 4: Bioreaktoranlage mit einem externen

Heizkonvektor Fig. 5: Schnitt durch einen Hauptfermenter

Die Fig. 1 und 2 enthalten nicht die Anlagenelemente, die der Dosierung, der Sortierung unα der Zerkleinerung dienen. Dagegen wird ein Prefermenter 1 gezeigt, der ei¬ ne Absaugeinrichtung 2 mit einem Luftfilter und einen untenliegenden Auslauf 3 besitzt. Dieser Auslauf 3 ist über eine Leitung 4 mit einem Einlaß 5 eines Hauptfer- menters 6 verbunden. In der Leitung 4 befindet sich eine Feststoffpumpe 7 und ein APsperrventi 1 8. Bei Ausnutzung der Schwerkraft zum Transport des Substrates kann auf die Feststoffpumpe 7 verzichtet werden.

Der Hauptfermenter 6 besteht aus einem Druckbehälter 9, der mit einem Druckmedium, z.B. Wasser gefüllt ist. Das Druckmedium kann dabei gleichzeitig als Heizmedium (Wär¬ mespeicher) eingesetzt werden. Weiterhin ist der Druck- behalter 9 isoliert ausgeführt und mit einem Auslaß 10 ausgerüstet, der über eine absperrbare Abführleitung 11 mit einer Nachbehandlungsanlage für den Garschlamm ver¬ bunden ist. In der Abführleitung 11 befindet sich eine Forderpumpe 12.

Der Druckbehälter 9 ist über eine Druckleitung 13 mit einem Kreislauf für das Druckmedium verbunden, der aus einer Pumpe 14, einem Tank 15 und Stromventi len 16 und 17 besteht. In der Druckleitung 13 befindet sich ein Heizkonvektor 18.

Wie die Fig. 4 zeigt, kann der Heizkonvektor 18' auch Element einer gesonderten und externen Heizanlage sein. Im Inneren des Druckbehälters 9 und vom Druckmedium um¬ geben befindet sich ein elastischer Garsack 19 mit einem oberen Anschluß zum Einlaß 5, mit einem unteren Anschluß zum Auslaß 10 und einem oberen Anschluß zu einer Steig¬ leitung 20.

Die Steigleitung 20 verbindet den Hauptfermenter 6 mit einem Ausgleichsbehälter 21. In der Steigleitung 20 be¬ findet sich ein weiteres Absperrventil 22 unα optional eine Fullstandsanzeige. Von der Steigleitung 20 zweigt eine Impfeinπchtung 23 ab, die aus einem oder mehreren Vorratsbehältern bestehen kann und die die Garzu¬ schlagstoffe nach dem Strahlprinzip oder durch eine ge¬ zielte Injektion eingibt. Die Leitung 4 für den Einlaß

zum Hauptfermenter 6 und die Steigleitung 20 zum Aus¬ gleichsbehälter 21 können auch als eine gemeinsame Lei¬ tung gestaltet werden.

Der Ausgleichsbehälter 21 ist stabil ausgeführt, besitzt eine Wärmeisolierung 24 und einen unteren Füllraum und einen oberen Freiräum. Das Fassungsvermögen des Füllrau- mes und die Größe des Freiraumes sind auf das Fassungs¬ vermögen des Gärsackes 19 abgestimmt.

Der Ausgleichsbehälter 21 weist im obersten Bereich sei¬ nes Freiraumes einen Anschluß auf, der einerseits über ein Absperrventi 25 mit der Atmosphäre bzw. einer Gas¬ verwertung und andererseits über eine Gasablaufleitung 26 mit einer Gasverwertungsanlage verbunden ist. Dazu befinden sich in der Gasablaufleitung 26 ein in Richtung zur Gasverwertungsanlage hin öffnendes, mcht- entsperrbares Rückschlagventi 27 unα ein Druckbegren- zungsventil 28.

Von der Gasablaufleitung 26 zweigt, in Stromungsrichtung betrachtet, vor dem Rückschlagventil 27 eine Gasruck- laufleitung 29 ab und führt zurück zu einem weiteren, im Freiräum angeordneten Anschluß des Ausgleichsbehälters 21. In dieser Gasrücklaufleitung 29 befinden sich in Reihe ein Druckbegrenzungsventil 30 und ein, in Richtung zum Ausgleichsbehälter 21 hin öffnendes, mchtentsperr- bares Rückschlagventil 31. Zwischen dem Druckbegren- zungsventi 1 30 und dem mchtentsperrbaren Rückschlagven¬ til 31 ist ein nebengeschalteter Druckspeicher 32 ange¬ ordnet.

Bei einer anderen Ausführungsform gemäß der Fig. 3 ent¬ fallen die Gasrücklaufleitung 29, das DruckPegrenzungs—

ventil 30 und das mchtentsperrbare Rückschlagventil 31 und der Druckspeicher 32 wird in der Gasablaufleitung 26 angeordnet. Dabei fungiert der zwischen dem Ausgleichs¬ behälter 21 und dem Druckspeicher 32 liegende Teil der Gasablaufleitung 26 für den wechselweisen Ablauf und der Ruckführung des Biogases aus dem Druckspeicher 32.

Die Fig. 5 zeigt den inneren Aufbau des Hauptfermenters 6. Dabei besteht der Druckbehälter 9 aus einem Deckel 33, einem Boden 34 und einer Wandung 35, die alle mit¬ einander verbunden sind und an den jeweiligen oberen und unteren Verbindungsstellen einen Kunststoffschlauch ein¬ klemmen und so zum Gärsack 19 ausbilden. Zwischen dem Garsack 19 und der Wandung 35 befindet sich ein Stütz— gitter 36. Die Wandstärke des Garsackes 19 kann gleich oder unterschiedlich stark gehalten sein. So ist es zweckmäßig, die Wandstarke im unteren Bereich dunner auszufuhren, um eine bessere Biomasseverdrangung nach oben zur Steigleitung 20 zu erreichen. Der Druckbehälter 9 ist ummantelt mit einer Isolierung 37.

Der erfinderische Gedanke ist nicht auf die hier be¬ schriebene Gestaltung des Gärsackes 19 begrenzt. So kann zum Zwecke der Stabilisierung der Garsack 19 aus mehreren Segmenten bestehen, die durch formstabile Ringe gebildet werden. Wenn diese Ringe in ihrer Öffnung quer- schmttsverandernd ausgebildet sind, kann ein partielles Mischen oder ein partieller Austrag erfolgen. Zweckmäßig ist es, die Ringe als flexiblen Schlauch auszufuhren, der mit einem Druckmedium gefüllt ist und der über eine

Druckregelung des Mediums seinen Querschnitt und damit die ringförmige Öffnung verändert.

Der Gärsack 19 kann auch faltenbalgähnlich gestalten oder mit einer Kolben-/Zylindereinheit kombiniert sein. Auch möglich ist der Einsatz einer reinen Kolben-Zylin¬ dereinheit. Die Geometrie kann zylindrisch oder kugelförmig sein.

Es ist auch zweckmäßig, den Hauptfermenter 6 in einer Mehrkammerform auszuführen. Dazu werden die Hauptfermen¬ ter 6 modulartig gestaltet und in einem Verband zusam¬ mengefügt. Dieser Verband kann in Reihe erfolgen, um beispielweise im ersten Hauptfermenter 6 im psychrophi- len Bereich, im zweiten Hauptfermenter 6 im mesophilen Bereich und im dritten Hauptfermenter 6 im ther ophilen Bereich zu arbeiten. Desweiteren können in den unter¬ schiedlichen Hauptfermentern 6 auch unterschiedliche Fraktionen verwertet werden. Dieser Verband kann aber auch parallel ausgeführt sein, um den Durchsatz zu erhö¬ hen. Ein Verband in Kombination von Reihen- und Paral¬ lelschaltung ist ebenfalls möglich. Wahlweise kann jedem Hauptfermenter 6 ein Ausgleichsbehälter 21 zugeordnet werden oder mehrere Hauptfermenter 6 nutzen einen ge¬ meinsamen Ausgleichsbehälter 21. Der Hauptfermenter 6 in Mehrkammerform kann auch durch einen segmentierten Gär¬ sack 19 ausgeführt werden.

Es ist dabei zweckmäßig, die jeweilige, den Gärschlamm führende Ablaufleitung eines ersten Hauptfermenters 6 schlauchförmig auszubilden und spiralförmig um den Gär¬ sack 19 nerumzuführen, bevor sie zur Nachbehandlung oder

in einen weiteren Hauptfermenter 6 übergeht. Das trägt vorrangig zur Stabilität des Wärmehaushaltes und der Nachgärung bei .

Der Einsatzbereich des Druckbehälters 9 kann durch einen semipermeablen Gärsack 19 erweitert werden. Hierdurch können z.B. Stoffgemische getrennt oder Stoffe miteinan¬ der gemischt werden.

Die Funktion wird an Hand der ersten Ausführungsform und des Batchverfahrens zur Fermentation von Biomasse erläu¬ tert.

Vor dem erstmaligen Anfahren der Anlage muß der Sauer¬ stoff, der sich im Behälter- und im Leitungssystem be¬ findet, herausgezogen werden. Dazu wird die Anlage mit Biogas, vorzugsweise mit Methan, wie folgt gespült, über ein separates Absperrventil wird Biogas unter Druck in die Leitung 4 eingeleitet, von wo es über das geöff¬ nete Absperrventil 8 in den Gärsack 19, weiter über das geöffnete Absperrventil 22 in den Ausgleichsbehälter 21 und von dort über das Absperrventil 25 in die Athmosphä- re gelangt. Alle anderen Strömungswege sind bei diesem Vorgang geschlossen. Wenn die gesamte Anlage mit Biogas gefüllt ist, werden das separate Absperrventil in der Leitung 4 und das Absperrventil 25 am Ausgleichsbehälter dauerhaft verschlossen.

Die dosierte, vorsortierte, zerkleinerte und angemaisch¬ te Biomasse befindet sich im Prefermenter 1 und wird durch die Feststoffpumpe 7 durch die Leitung 4 in den Gärsack 19 des Hauptfermenters 6 gefördert. Der Gärprozeß im Gärsack 19 beginnt, wobei das entste¬ hende Biogas durch die Steigleitung 20 in den Aus—

gleichsbehälter 21 entweicht. Nach einem vorbestimmbaren Zeitraum wird das Stromventil 16 geöffnet und die Pumpe 14 fördert über die Druckleitung 13 Wasser in den Druck¬ behälter 9. Der Wasserdruck steigt und drückt den ge¬ füllten Gärsack 19 zusammen. Dadurch wird Biomasse durch die Steigleitung 20 in den Füllraum des Ausgleichsbehäl¬ ters 21 und gleichzeitig das Biogas aus dem Freiräum des Ausgleichsbehälters 21 in die Gasablaufleitung 26 ver¬ drangt (Fig. 2). Auf Grund des höher eingestellten Druckbegrenzungsventi eε 28 gelangt das Biogas über das Druckbegrenzungsventil 30 in den Druckspeicher 32. Wenn sich eine vorbestimmbare Biomasse im Füllräum des Aus¬ gleichsbehälters 21 befindet, wird das Stromventil 17 im Wasserkreislauf geöffnet, wodurch sich der Wasserdruck im Druckbehälter 9 abbaut.

Die im Füllraum des Ausgleichsbehälters 21 befindliche Biomasse rutscht in den Gärsack 19 zurück und der dabei im Ausgleichsbehälter 21 entstehende Unterdruck zieht Biogas aus dem Druckspeicher 32 nach. Dieser Prozeß des Verdrängens und des Zurückrutschens der Biomasse wird zyklusartig in gewünschten Zeitabstän¬ den durchgeführt und führt in der Biomasse zu einem op¬ timalen Vermischen und zu ständigen Druckintervallen, was sich günstig auf den Gärprozeß auswirkt. Durch die standige Garung sammelt sich immer mehr Biogas im Aus¬ gleichsbehälter 21 , bis das vorhandene Volumen im Aus¬ gleichsbehälter 21 bei einem erneuten Verdrangungsvor- gang nicht mehr ausreicht und der Druck den am Druckbe¬ grenzungsventi 1 28 eingestellten Wert übersteigt. Das Druckbegrenzungsventil 28 öffnet und leitet das

überschüssige Biogas an die Nachbehandlungsanlage. Ist der Gärvorgang abgeschlossen, wird der Gärschlamm über den Auslaß 10 abgelassen und durch die Förderpumpe 12 der Nachbehandlungsanlage zugeführt. Der Austrag des Gärschlammes kann auch durch Ausnutzung der Schwerkraft oder dadurch erfolgen, daß der Gärsack 19 druckbeauf¬ schlagt und damit zusammengedrückt wird. Bei diesen Ver¬ fahrensweisen kann auf die Förderpumpe 12 verzichtet werden.

Für eine weitere Gärung wird der Hauptfermenter 6 wie beschrieben neu gefüllt.