Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Biogas aus Gärsubstrat, in mindestens einem Fermenter. Ferner ist eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung Gegenstand der Erfindung.

Die Herstellung von Biogas erfolgt in an sich bekannter Weise in einem oder mehreren Reaktoren bzw. Fermentern, die mesophil (Temperaturen unterhalb von 45 'Ό) oder thermophil (Temperaturen 45 bis 80 'Ό) betrieben werden können.

Unter Gärsubstrat ist Biomasse als organische Substanz zu verstehen, die durch Mensch, Tier und Pflanze entsteht, wie beispielsweise als Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist), nachwachsende Rohstoffe und biologische Abfallmaterialien.

Unter den Begriff Biomasse fällt auch Klärschlamm, wenn dieser aus organisch belasteten Ab- oder Prozesswässern besteht und für eine anaerobe Umsetzung geeignet ist. Ein derartiger Klärschlamm muss einen CSB-Anteil von über 5.000 mg/l haben.„CSB" ist die Abkürzung für„Chemischen Sauerstoffbedarf", wobei im Rahmen einer CSB-Messung ermittelt wird, wie viel Sauerstoff die chemischen Faulungs-/Reinigungsprozesse im Abwasser verbrauchen.

Zur Herstellung bzw. Erzeugung von Biogas finden während der Umsetzung bzw. Fermentation unterschiedliche biologische Abbauprozesse statt, als Hydrolyse, Versäuerung, Essigsäurebildung und Methanbildung. Die durch Bakterien verursachten Abbauprozesse können unter aeroben oder anaeroben Bedingungen stattfinden. Das am häufigsten angewendete Verfahren ist die Nassfermentation (Trockensubstanzgehalt TS < 15 % und Wassergehalt > 85 %).

Die Erzeugung von Biogas kann nach unterschiedlichen Verfahrensweisen erfolgen. Wünschenswert ist, ein Biogas mit einem hohen Methangehalt zu erhalten, da mit steigendem Anteil an Methan im hergestellten Biogas sich die Kosten für die nachträgliche Reinigung bzw. Aufarbeitung zu Methangas verringern.

Außer Methan enthält Biogas noch bis zu 60 Vol.-% C0 ₂ , bis zu 5 Vol.-% Stickstoff, bis zu 2 % Sauerstoff, bis zu 2 % Wasserstoff, bis zu 2 Vol.-% H ₂ S, bis zu 8 Vol.-% H ₂ 0 und bis zu 1 Vol.-% Ammoniak bzw. Ammoniumverbindungen sowie ggf. noch andere organische Substanzen im ppm-Bereich. Die pH-Werte bei den Fermentationsprozessen liegen im Bereich von bei 7,7 bis 8,4, dies vor allem deshalb, weil die Methanbakterien im alkalischen Bereich bessere Ergebnisse erzielen. Der Gärprozess im Fermenter erfolgt üblicherweise bei Substrattemperaturen von ca. 40 'Ό. Biomasse enthält Stickstoff (N), sodass während der Vergärung Ammonium (NH ₄ ⁺ ) als Kation freigesetzt wird. Ammonium bildet bekanntlich ein Dissoziationsgleichgewicht mit Ammoniak, das vom pH-Wert und der Temperatur abhängig ist. Der Anteil an Ammoniak erhöht sich mit zunehmendem pH und steigender Temperatur. Mit steigendem Ammoniakgehalt verringert sich die Methanbildung während der Fermentation.

Ein genereller Nachteil der bekannten Verfahren sind zu geringe Ausbeuten an Methan bei der Umsetzung von Biomasse zu Biogas, insbesondere die zu geringen Methankonzentrationen bei der biologischen Umsetzung, sowie die relativ hohen Anteile an Schwefelwasserstoff und Ammoniak im erzeugten Biogas.

Bekannt ist, Gärsubstrat nach Beendigung des Gärprozesses in eine feste und flüssige Phase zu trennen und zumindest eine Teilmenge der flüssigen Phase einem neuen Ansatz an Bioabfall zuzusetzen, um die anaerobe Gärung wieder anzustoßen (z.B. DE 44 23 099 A1 ).

Der Fermentations- bzw. Gärprozess ist äußerst komplexer Natur. Das anfallende

Gärsubstrat, das ein Gemisch aus Gärflüssigkeit und Feststoffen ist, enthält u.a. gelöste organische Verbindungen, die über den CSB-Gehalt mit 2.000 bis 20.000 mg/l oder höher liegen und physikalisch gebundenes C0 ₂ sowie Ammoniumverbindungen (NH ₄ ⁺ ) und NH ₃ , das auch als Ammoniumcarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammonium usw. chemisch gebunden vorliegt. Der Anteil von Ammoniumverbindungen im Gärsubstrat ist abhängig von der Art der Biomasse. Gülle und Jauche enthalten beispielsweise einen relativ hohen Anteil an Ammoniak und chemisch gebundenem Stickstoff (3 bis 8 g/l).

Bei Biomasse auf Basis pflanzlicher Rohstoffe entsteht Ammoniak bei der Vergärung N- haltiger Anteile. Gülle und Jauche enthalten zudem einen relativ hohen Anteil an Harnstoff (Urin), wodurch während des Gärprozesses zusätzlich noch Ammoniak freigesetzt wird. Da in der Praxis häufig Biomassegemische eingesetzt werden, die pflanzliche und tierische Rohstoffe in unterschiedlichen Kombinationen und Zusammensetzungen enthalten, ist die während der Vergärung tatsächlich auftretende Ammoniakfreisetzung so gut wie nicht vorherbestimmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Biogas aus Gärsubstrat zu schaffen, bei dem während der Vergärung eine erhöhte Bildung an Methan ermöglicht wird. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung bereitgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Verfahrensweise sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 14. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist Ge- genstand von Anspruch 15. Anspruch 16 bezieht sich auf eine Ausgestaltung dieser Vorrichtung.

Während der Verweildauer des Gärsubstrates im Fermenter wird eine definierte Teilmenge an Gärsubstrat ausgekreist und in einem geschlossenen Kreislauf durch einen ersten Wärmetauscher gepumpt. In diesem wird das Gärsubstrat von seiner Ausgangstemperatur von ca. 40 'Ό auf Temperaturen von bis zu 1 10 °C erwärmt und anschließend einem weiteren, zweiten Wärmetauscher zugeführt und in diesem weiter bis auf maximal 180 'Ό erwärmt. Durch den Pumpvorgang wird das ausgekreiste Gärsubstrat auf einen Druck von 1 ,5 bis 10 bar, vorzugsweise 2 bis 6 bar, verdichtet. Nach dem zweiten Wärmetauscher gelangt das komprimierte heiße Gärsubstrat in einen geschlossenen Behälter. Im Behälter werden durch eine Entspannung oder bei Aufrechterhaltung des Behälterinnendruckes aus dem Gärsubstrat C0 ₂ , Ammoniak, Spuren an H ₂ S und Wasserdampf freigesetzt. Diese werden als Gasgemisch über eine in den Behälter eingebundene, druckgeregelte Ab- gasleitung abgeführt. Das ammoniakreduzierte Gärsubstrat wird über eine Leitung aus dem Behälter abgeführt und nach erfolgter Abkühlung auf Fermentertemperatur wieder dem im Fermenter befindlichen Gärsubstrat zur weiteren Vergärung zugeführt. Die Menge an zugeführtem Gärsubstrat und abgeführten ammoniakreduziertem Gärsubstrat sollten so aufeinander abgestimmt werden, dass im Behälter ständig ein Füllvolumen an Gärsubstrat von mindestens 20 % vorliegt.

Der Begriff Fermenter im Sinne der Erfindung umfasst auch Nachgärer und Gärrestlager, Einzeln oder als Komponenten einer Biogasanlage, da in diesen ebenfalls ein Gärprozess unter Bildung von Biogas stattfindet.

Die Teilmenge an Gärsubstrat, die stündlich ausgekreist wird, sollte ca. 0,1 bis 1 % des Fermentervolumens betragen.

Vorzugsweise erfolgt die Auskreisung einer Teilmenge an Gärsubstrat erst nach Erreichen eines Grenzwertes für die Freisetzung einer die Methanbildung hemmenden Menge an Ammoniak.

Als Gärsubstrat können alle unter den Begriff Biomasse fallenden Stoffe bzw. Materialien eingesetzt werden, in analoger Weise wie bei den bisher bekannten Verfahren zur Erzeugung von Bio- oder Klärgas. Diese können in unterschiedlicher Konsistenz vorliegen und werden erforderlichenfalls noch auf den gewünschten TS-Gehalt eingestellt. Beispielsweise liegt der TS-Gehalt von flüssigem Gärsubstrat, wie z.B. Gülle, unter 3 %.

Beim Einsatz von Biomassen auf Basis pflanzlicher Rohstoffe oder Gemischen aus diesen liegt der TS-Gehalt des Substrates bzw. -gemisches oberhalb von 3. Mit der vorgeschlagenen Verfahrensweise kann die Grundlast an Ammonium gegenüber bekannten Biogasanlagen von ca. 2 bis 3 g/l auf 1 bis 1 ,5 g/l oder auch darunter abgesenkt werden.

Durch die Auskreisung von bereits im Gärstadium vorliegendem Gärsubstrat, bei dem die übliche Freisetzung von Ammonium noch nicht erfolgt ist und diese erst gezielt, au ßerhalb des Fermenters, im Behälter der Kreislaufschleife vorgenommen wird, wird in den Fermenter ammoniakreduziertes Gärsubstrat zurückgeführt und dadurch die Gefahr, dass im Fermenter eine die Methanbildung hemmende Ammoniumkonzentration entsteht, beseitigt. Dadurch erhöhen sich die Ausbeute an Biogas und die Methanbildungsgeschwindigkeit. Eine erhöhte Methanbildungsgeschwindigkeit kann auch höhere Konzentrationen an Methan im Biogas ergeben.

In ersten Versuchen konnten um ca. 8 bis 15 % höhere Ausbeuten an Biogas erzielt werden.

Aus dem Fermenter wird verfahrensabhängig entweder kontinuierlich oder nur absatzweise eine bestimmte Teilmenge an Gärsubstrat ausgekreist und als ammoniakreduziertes Gärsubstrat wieder zurückgeführt.

Da während der Fermentation die Methanbildung nicht mehr gehemmt wird, verkürzt sich die Fermentationsdauer um ca. 30 % bis 45 %. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass im Gärsubstrat enthaltener Schwefelwasserstoff zu über 80 % mit dem Ammoniak entweicht. Demzufolge weist unter den erfindungsgemäßen Maßnahmen im Fermenter erzeugtes Biogas einen geringeren Anteil an Schwefelwasserstoff auf.

Ein zusätzlicher, vorteilhafter Nebeneffekt besteht noch darin, dass nach Beendigung der Fermentation anfallender Gärrest im Vergleich zu ansonsten anfallendem Gärrest eine geringere Ammonium/Ammoniakbelastung aufweist und somit eine deutlich verminderte Geruchsbelästigung. Diese spielt vor allem beim Ausbringen von Gärrest auf landwirtschaftliche Nutzflächen eine nicht unbedeutende Rolle.

Aus Untersuchungen Dritter ist bekannt, dass unter folgenden Bedingungen mit einer Hemmung der Methanbildung zu rechnen ist.

Als Grenzwert für diese Bedingungen wurde ein sich einstellender Anteil von freiem Ammoniak im Gärsubstrat von 100 mg/l angegeben. Eigene Untersuchungen und Berechnungen haben ergeben, dass bereits ab einem Wert von etwa 15 mg/l für freies Ammoniak im Gärsubstrat bereits zu einer deutlichen Hemmung der Methanbildung führen. Dem- zufolge muss damit gerechnet werden, dass die Hemmung der Methanbiologie bereits deutlich früher eintritt. Bei einer mesophilen Betriebsweise ergibt sich unter diesen Bedingungen ein Ammoniakgehalt im Biogas von 30 ppm. Das entspricht in etwa 15 mg/l freiem Ammoniak im Gärsubstrat bei einem pH-Wert von 7,2.

Der NH ₄ ⁺ -Gehalt kann während des Gärprozesses erheblich schwanken. Über die völlig unterschiedlichen und überlagerten Bedingungen des Fermentationsprozesses ist es praktisch unmöglich die Dissoziationsgleichgewichte zuverlässig vorausberechnen, da neben den ständig wechselnden Zusammensetzungen der organischen Säure noch die gelösten Nährstoffionen einen Einfluss ausüben. Weiter wird dies dadurch erschwert, da das Biogas vor der Messung konditioniert, d.h. gekühlt wird und dabei Wasser kondensiert. Das kondensierte Wasser bindet Ammoniak. Der im kondensierten Wasser gelöste Anteil an Ammoniak muss hier mit berücksichtigt werden.

Im Rahmen von Versuchen wurde gefunden, dass allein über die Messung der Ammoniakkonzentration im Biogas ein zuverlässiger Rückschluss auf die im Gärsubstrat freie gelöste Menge an Ammoniak über das Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht in Verbindung mit dem Henry-Koeffizienten besteht.

Als vorgegebener Grenzwert für die die Methanbildung hemmende Menge an Ammoniak kann von einer im Biogas gemessenen Konzentration an Ammoniak von 30 ppm ausgegangen werden. Dieser Grenzwert stellt einen allgemeinen Richtwert dar, von dem unter bestimmten Bedingungen auch abgewichen werden kann.

Die Auskreisung von Gärsubstrat kann auch kontinuierlich und unabhängig von einem Ammoniakgrenzwert erfolgen, was letztendlich auch eine Kostenfrage ist.

Durch dosierten Zusatz von ammoniakreduziertem Gärsubstrat in den oder die Fermenter lässt sich der Ammoniakgehalt während der Fermentation so einstellen, dass günstige Bedingungen für die Methanbildung und deren Geschwindigkeit herrschen. Vorzugsweise sollte der Ammoniakgehalt im Gärsubstrat während der Fermentation unter 1 g/l liegen, z.B. zwischen 0,6 bis 0,9 g/l. Eine vollständige Entfernung von Ammonium ist nicht gewünscht, da die zur Vergärung wirksamen Mikroorganismen diesen als Nahrung benötigen.

Während des Gärprozesses sollte daher die Ammoniakkonzentration überwacht werden, vorzugsweise über eine Ammoniakmessung im Biogas.

Die Messung bzw. Überwachung der Ammoniakkonzentration erfolgt mittels handelsüblicher Gasmessgeräte.

Der erforderliche Systemdruck innerhalb der Kreislaufschleife wird mittels einer Pumpe erzeugt. Zur Erwärmung/Erhitzung wird das Gärsubstrat durch mehrere Wärmetauscher gepumpt, die als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt sind, wobei als Wärmeträger Thermalöl und/oder rückgeführtes ammoniakreduziertes Gärsubstrat verwendet werden. Dadurch wird eine energetisch vorteilhafte Verfahrensweise erreicht.

Die vorgeschlagene Verfahrensweise kann auch zur Herstellung von Biogas mittels mehrerer Fermenter genutzt werden, die parallel oder in Reihe geschaltet sein können. Im Gärzustand befindliches Gärsubstrat kann wahlweise aus dem ersten Fermenter und/oder zu Beginn und/oder während der Vergärung in einem nachgeschalteten Fermenter ausgekreist werden. Ammoniakreduziertes Gärsubstrat kann zur Weiterführung der anaeroben Vergärung in einen der Fermenter, oder auch aufgeteilt auf mehrere, zurückgeführt werden.

Bei Einsatz mehrerer Fermenter wird der Ort der Auskreisung von Gärsubstrat, erster oder nachfolgender Fermenter, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Ammoniakbildung im Gärsubstrat bestimmt.

Über die abgeführte Kreislaufmenge an Gärsubstrat und die wieder zurückgeführte Menge an ammoniakreduziertem Gärsubstrat lässt sich die Ammoniumkonzentration im Fermenter bzw. in den Fermentern beeinflussen.

Aus dem Behälter bzw. Abscheider abgeführtes ammoniakreduziertes Gärsubstrat wird zur Abkühlung auf Fermentertemperatur durch einen dritten Wärmetauscher geleitet. Vorzugsweise wird im dritten Wärmetauscher erwärmtes Wärmeträgermedium über eine Kreislaufleitung dem ersten Wärmetauscher zugeführt und gelangt wieder zurück in den dritten Wärmetauscher. Für die Wärmeübertragung wird nur ein Wärmeträgermedium eingesetzt.

Der zweite Wärmetauscher wird separat beheizt, beispielsweise mit Thermalöl als Wärmeträger.

Die Verweildauer des Gärsubstrates im ersten Fermenter ist u.a. von der Zusammensetzung des Gärsubstrates, insbesondere vom TS-Gehalt, abhängig.

Der TS-Gehalt des Gärsubstrates kann durch Zugabe von Gärflüssigkeit und/oder Wasser bis auf einen Wert von unter 10 % eingestellt werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante kann das ausgekreiste Gärsubstrat vor der Einleitung in den ersten Wärmetauscher in eine flüssige und höher konzentrierte Phase getrennt werden. Nachfolgend wird nur die Ammonium/Ammoniakkonzentration der flüssigen Phase reduziert. Hierbei besteht kein wesentlicher Unterschied im Vergleich zur vorstehend beschriebenen Behandlung von Gärsubstrat. Abschließend werden die flüssige Phase und die höher konzentrierte Phase wieder zusammengeführt und ggf. noch vor der Rückführung in den Fermenter vermischt.

Die bei der Abscheidung von Ammoniak gebildeten Brüden werden über eine Leitung druckgeregelt aus dem Behälter bzw. Abscheider abgeführt. Die Brüden werden konden- siert, wobei Ammoniakwasser und Ammoniumcarbonat als wässrige Lösung entstehen. Da nur ca. 70 bis 90 % des Ammoniaks zu Ammoniakwasser und (2 NH ₃ + C0 ₂ ) zu Ammoniumcarbonat oder deren Verbindungen reagieren, wird der Rest an Ammoniak mit Säure, z.B. Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Salpetersäure, chemisch gebunden. Ammoniumcarbonat kann als wässrige Lösung zur Bodendüngung in der Landwirtschaft eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung und zwei Beispielen erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens in vereinfachter schematischer Darstellung.

Beispiel 1 :

In einer Biogasanlage werden pro Jahr 10.000 m ³ Rindergülle mit einer Zusammensetzung von

TS-Gehalt 10,5 %

Organischer Anteil 76,5 %

NH ₄ ⁺ ges. 4,5 g/l, davon gelöst 1 ,5 g/l

als Gärsubstrat eingesetzt.

Die Vergärung erfolgt in zwei in Reihe geschalteten Fermentern F1 und F2, thermophil bei einer Temperatur von 55 'Ό und pH-Werten von 7,2 bis 7,6.

Die beiden Fermenter F1 und F2 besitzen ein Fermentervolumen von 3.000 m ³ und sind über eine Transportleitung L2 miteinander verbunden, über die Gärsubstrat nach einer bestimmten Gärzeit vom ersten in den zweiten Fermenter gepumpt wird. In beiden Fermentern ist eine biologische Entschwefelung, die mit Luft oder Sauerstoff arbeitet, integriert. Die Zuführung von Luft oder Sauerstoff erfolgt über die Leitung L16. Durch die Entschwefelung wird der Gehalt an Schwefelwasserstoff auf unter 100 ppm im Biogas der beiden Fermenter reduziert.

Der erste Fermenter F1 wird mit stündlich ca. 1 ,16 m ³ frischer Rindergülle über die Leitung L0 beschickt. Über die Leitung L15 werden kontinuierlich aus dem zweiten Fermenter F2 1 m ³ /h an vergorener Gülle in den ersten Fermenter F1 zurückgeführt und über die Leitung L7 4 m ³ /h an ammoniakreduzierter Gülle, wie nachfolgen noch erläutert.

Im ersten Fermenter F1 stellt sich somit ein TS-Gehalt von etwa 3 % ein.

Nach einer mittleren Fermentationsdauer von 12 Tagen sind ca. 70 % des organischen Anteiles des zugeführten Gärsubstrates biologisch abgebaut. Diese gelangen über die Leitung L2 in den zweiten Fermenter F2. In den ersten Fermenter F1 wird dann die erforderliche Menge an Gülle nachdosiert.

Das im ersten Fermenter F1 nach 12 Tagen anfallende Gärsubstrat (Temperatur von 55 °C) hat folgende Zusammensetzung: NH ₄ ⁺ 4,4 g/l, davon gelöster Anteil 2,6

C0 ₂ 7,2 g/l

H ₂ S 65 mg/l

TS-Gehalt 2,0 %.

Im über die Leitung L 1 aus dem Fermenter F1 abgezogenen Biogas wird die Ammoniakkonzentration im gekühlten Biogas und im Kondensat gemessen.

Das erzeugte Biogas hat folgende trockene Zusammensetzung:

CH ₄ 58 Vol.-%

C0 ₂ 40,8 Vol.%

0 ₂ 0,2 Vol.-%

N ₂ 0,9 Vol.-%

H ₂ 850 ppm

H ₂ S 75 ppm

NH ₃ 25 ppm.

Bei Erreichen eines Grenzwertes von 30 ppm an Ammoniak im Biogas wird über die Leitung L3 vergorenes Gärsubstrat in einer Menge von 4 m ³ /h aus dem zweiten Fermenter F2 ausgekreist.

Die Auskreisung von Gärsubstrat aus dem zweiten Fermenter F2 erfolgt über eine mit dem Fermenter F1 verbundene Kreislaufschleife, bestehend aus der Leitung L3 zur Substratzuführung, der Kreislaufpumpe P1 , dem ersten Wärmetauscher W1 , der Verbindungsleitung L4 vom ersten W1 zum zweiten Wärmetauscher W2, der Leitung L5, dem Behälter bzw. Abscheider B1 , der Leitung L6, die vom Behälter B1 zum dritten Wärmetauscher W3 führt und der vom Wärmetauscher W3 abgehenden Leitung L7, über die ammoniakreduziertes Gärsubstrat in den Fermenter F1 zurückgeführt wird.

Über die am Kopf des Behälters B1 angeordnete Leitung L8 werden die im Behälter B1 entstehenden Brüden, Gemisch aus NH ₃ , C0 ₂ , H ₂ S und Wasserdampf, zur weiteren Behandlung abgeführt, wobei in diese Leitung ein Druckbegrenzungsventil D1 eingebunden ist.

Die beiden Wärmetauscher W1 und W3 sind mit Leitungen L1 1 und L12 verbunden, in denen das Wärmeträgermedium, z. B. Wasser, zirkuliert. Der zweite Wärmetauscher W2 wird separat mittels Thermalöl als Wärmeträger beheizt, das über die Leitung L9 zu- und über die Leitung L10 abgeführt wird.

Anlagentechnisch ist die Kreislaufschleife als eigenständige Baugruppe ausgeführt, die auch an Fermenter bereits bestehender Biogasanlagen angeschlossen werden kann. Über die Fahrweise mittels Kreislaufpumpe P1 mit einer Frequenzregelung kann jede be- liebige Kreislaufmenge von 1 bis 6 m ³ /h eingestellt werden. Damit kann die Kreislaufschleife bzw. -anläge auch ständig mit geringer Leistung in Betrieb sein.

Im Betriebszustand wird über die Pumpe P1 Gärsubstrat in einer Menge von 4 m ³ /h über die Leitung L3 ausgekreist und durchströmt den Wärmetauscher W1 . Dabei wird das Gärsubstrat von 55 °C bis auf 1 10°C erwärmt, mittels Wasser oder Thermalöl als Wärmeträger, das über die Leitungen L1 1 und L12 unter Druck zwischen den beiden Wärmetauschern W1 und W3 im Kreislauf gefahren wird. Die Aufheizung des Wärmeträgers erfolgt im dritten Wärmetauscher W3 über das aus dem Behälter B1 über die Leitung L6 abgeführte heiße ammoniakreduzierte Gärsubstrat.

Das ausgekreiste Gärsubstrat wird über die Leitung L4 zum zweiten Wärmetauscher W2 gefördert und in diesem bis auf 125 'Ό erwärmt. Der erforderliche Wärmeeintrag von ca. 200 kW erfolgt mittels aufgeheiztem Thermalöl, das über die Leitung L9 zu- und über die Leitung L10 abgeführt wird.

Das heiße Gärsubstrat wird unter Druck über die Leitung L5 in den Abscheidebehälter B1 geleitet. Der Systemdruck wird auf 2,6 bar eingestellt, wobei der Druck über das in die Leitung L8 eingebundene Druckregelventil D1 geregelt wird. Die zugeführte und abgeführte Kreislaufmenge an Gärsubstrat wird so geregelt, dass im Behälter B1 ständig mindestens 40 % des Behältervolumens mit heißem Gärsubstrat gefüllt sind.

Aus dem Gärsubstrat werden im Behälter B1 C0 ₂ , Ammoniak sowie Spuren an H ₂ S und Wasserdampf freigesetzt, die als Brüden über die Leitung L8 entweichen, wobei stündlich 2 kg/h Ammoniak, 7,4 kg/h C0 ₂ , 0,054 kg/h H ₂ S und 66,6 kg/h Wasserdampf ausgetragen werden.

Am Boden des Behälters B1 werden über die Leitung L6 kontinuierlich 4 m ³ /h ammoniakreduziertes Gärsubstrat (TS-Gehalt 2 %) mit folgender Zusammensetzung ausgetragen:

NH ₄ ⁺ 1 ,9 g/l, davon 1 ,0 g/l gelöst

C0 ₂ 2,7 g/l

H ₂ S 5 mg/l.

Das heiße ammoniakreduzierte Gärsubstrat wird zur Abkühlung auf Fermentertemperatur durch den Wärmetauscher W3 geleitet und abschließend über die Leitung L7 dem ersten Fermenter F1 zugeführt.

Die über die Leitung L8 abgeschiedenen Brüden werden gereinigt, wobei in einem Wäscher Ammoniak und H ₂ S als Dünger chemisch gebunden werden.

Nach Beendigung der Fermentation im zweiten Fermenter F2 wird angefallener Gärrest über die Leitung L13 dem Gärrestlager GRL zugeführt, das in bestimmten Abständen über die Leitung L14 entleert wird. Der abgeführte Gärrest besitzt im Vergleich zu aus bisher bekannten Biogasanlagen stammendem Gärrest eine deutlich geringere Ammoniakkonzentration.

Über die ausgekreiste und wieder zurückgeführte Kreislaufmenge an Gärsubstrat lässt sich der Ammoniumgehalt im Fermenter einstellen.

Das erzeugte Biogas weist einen deutlich geringeren Anteil an H ₂ S und NH ₃ auf. Der Anteil an H ₂ S liegt jetzt unter 75 ppm und beim NH ₃ unter 25 ppm.

Gemäß diesem Beispiel können in den beiden Fermentern 310.000 m ³ Biogas oder kontinuierlich 36 m ³ /h trockenes Biogas mit 58 Vol.-% CH ₄ , 40,8 Vol.-% C0 ₂ , 0,085 Vol.-% H ₂ , 75 ppm H ₂ S und 25 ppm NH ₃ erzeugt werden.

Aus den eingesetzten 10.000 m ³ Rindergülle pro Jahr fallen als Nebenprodukt 18 t Ammonium oder 17 t Ammoniak an.

Beispiel 2

In einer Biogasanlage werden zur Erzeugung von Biogas (1.000 m ³ /h) 4.950 kg Biomasse (Maissilage, TS-Gehalt 32 %) eingesetzt.

Die Fermentation erfolgt in vier in Reihe geschalteten Fermentern, wobei die beiden letzten Fermenter auch parallel betrieben werden können.

Der erste Fermenter hat ein Volumen von 1 .500 m ³ und die drei nachgeschalteten Fermenter haben jeweils ein Volumen von 3.000 m ³ .

Der erste Fermenter wird mit einer Menge von 4.950 kg/h an Maissilage mit einem TS- Gehalt von 5 % beschickt. Die Fermentation erfolgt mesophil bei Temperaturen von ca. 38 °C und pH-Werten von 7,1 bis 5,4 abfallend.

Nach einer mittleren Fermentationsdauer von 2 Tagen sind im ersten Fermenter ca. 30 % an organischer Substanz abgebaut. Das so vergorene Gärsubstrat (Temperatur 40 °C) mit einem TS-Gehalt von 3,5 % gelangt in den nachgeschalteten zweiten Fermenter und hat folgende Zusammensetzung:

NH ₄ ⁺ <1 ,5 g/l gelöster Anteil

C0 ₂ 5,8 g/l

H ₂ S 50 mg/l.

Der Ammoniakgehalt im aus dem ersten Fermenter abströmenden Biogas wird nicht gesondert überwacht. Nach einer mittleren Verweilzeit von 4 Tagen im zweiten Fermenter wird das Gärsubstrat vom zweiten Fermenter in den nachfolgenden dritten Fermenter geleitet. Während dieser Verweilzeit hat sich die organische Substanz um weitere 50 % abgebaut, durch Bildung von Biogas. Im Gärsubstrat reduziert sich der TS-Gehalt auf 1 ,8 %. Danach wird das Gärsubstrat zum weiteren biologischen Abbau in den vierten Fermenter geleitet. An den zweiten oder dritten Fermenter der Biogasanlage ist eine Kreislaufschleife analog der in der Zeichnung gezeigten Ausführung angeschlossen.

Hier werden kontinuierlich über die Leitung L3 12 m ³ /h Gärsubstrat (TS-Gehalt 3,5 %) abgepumpt, im Wärmetauscher W1 von 40 auf 1 10°C und im zweiten Wärmetauscher W2 weiter bis auf 125°C erwärmt. Danach gelangt das heiße Gärsubstrat über die Leitung L5 in den Abscheidebehälter B1 . Unter Einhaltung eines Systemdruckes von 2,6 bar entweichen über die Leitung L8 aus dem Gärsubstrat frei gesetztes C0 ₂ und Ammoniak, sowie Spuren an H ₂ S und Wasserdampf.

Damit werden über die Leitung L8 kontinuierlich 5,64 kg/h Ammoniak, 62,4 kg/h C0 ₂ , 0,54 kg/h H ₂ S und 66,6 kg/h Wasserdampf ausgetragen. Pro m ³ Kreislauf menge werden etwa 0,5 kg Ammonium aus dem Gärsubstrat abgeschieden.

Aus dem Abscheider B1 wird über die Leitung L6 ammoniakreduziertes Gärsubstrat (TS- Gehalt 4 %) folgender Zusammensetzung zum Wärmetauscher W3 geleitet:

NH ₄ ⁺ <1 ,0 g/l

C0 ₂ 0,6 g/l

H ₂ S 5 mg/l.

Über die Leitung L7 wird auf 40 'Ό abgekühltes ammoniakreduziertes Gärsubstrat in einer Menge von 12 m ³ /h wieder dem ersten Fermenter zugeführt.

Von den im Wärmetauscher W2 eingetragenen 240 kW an Wärme werden 180 kW mit dem warmen ammoniakreduziertem Gärsubstrat wieder in den ersten Fermenter zurückgeführt, wodurch die Fermenterheizung entlastet wird.

Die über die Leitung L8 abgeschiedenen Brüden werden gereinigt, wobei in einem Wäscher Ammoniak und H ₂ S als Dünger chemisch gebunden werden.

Über die mittels der Pumpe P1 einstellbare Kreislaufmenge an Gärsubstrat kann der Ammoniumgehalt im ersten Fermenter gezielt eingestellt werden.

Ohne Auskreisung einer Teilmenge an Gärsubstrat und Reduzierung des Ammoniakgehaltes würde im Gärsubstrat der Fermenter ein höherer Ammonium/Ammoniakanteil vorliegen, durch den die Biogasbildung gehemmt wird.