DD232686A1

DD232686A1 - PROCESS FOR PRODUCING SULPHATE-FREE BIOGASES

Info

Publication number: DD232686A1
Application number: DD84271447A
Authority: DD
Inventors: Bernd Kurzmann; Dietmar Grund
Original assignee: Fuerstenwalde Chem Tankanlagen
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1986-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von schwefelwasserstoffreiem Biogas, bei dem die Hydrolyse und die Saeurefermentation einerseits und die Methanfermentation andererseits in getrennten Prozessstufen ablaufen. Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung des Methanbakterienverlustes im Uebergangsbereich zwischen der Saeure- und Methanphase, der Reduzierung der Schwefelwasserstoffanreicherung im nutzbaren Biogas, in der Verringerung der erforderlichen Faulraeume und in der Vermeidung der Schwimmdeckenbildung. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die Substratstoffe innerhalb der Saeurephase eine Aufwaertsstroemung vollziehen, waehrend der der im Substrat sich bildende und geloeste Schwefelwasserstoff durch staendige Druckentlastung desorbiert wird, dieser anschliessend gesondert gespeichert und das Substrat der Methanphase zugefuehrt wird, die aus einer Zwischen- und einer Hauptstufe besteht, wobei in der Zwischenstufe eine bevorzugte Essigsaeurebildung stattfindet und gleichzeitig aktives Substrat aus der Hauptstufe in die Zwischenstufe und in die Saeurephase zurueckgefuehrt wird. FigurThe invention relates to a process for the production of hydrogen sulphide-free biogas, in which the hydrolysis and the acid fermentation on the one hand and the methane fermentation on the other hand take place in separate process stages. The aim of the invention is to reduce the Methanbakterienverlustes in the transition region between the acid and methane phase, the reduction of hydrogen sulfide enrichment in usable biogas, in the reduction of the required Faulraeume and in avoiding the floating cover. This goal is achieved in that the substrate substances perform an upstream flow within the acid phase, during which the hydrogen sulfide formed and dissolved in the substrate is desorbed by constant pressure relief, which is then stored separately and the substrate is fed to the methane phase, which consists of an intermediate and a main stage consists, wherein in the intermediate stage a preferential Essigsaeurebildung takes place and at the same time active substrate from the main stage in the intermediate stage and in the Saeurephase is led back. figure

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von schwefelwasserstofffreiem Biogas, bei dem die Hydrolyse und Säurefermentation einerseits und die Methanfermentation andererseits in getrennten Prozeßstufen ablaufen.The invention relates to a process for the production of hydrogen sulfide-free biogas, in which the hydrolysis and acid fermentation on the one hand and the methane fermentation on the other hand take place in separate process stages.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders zur Behandlung tierischer, pflanzlicher und/oder kommunaler Biomasse eingesetzt.The method according to the invention is used in particular for the treatment of animal, vegetable and / or municipal biomass.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt. Biogas in Durchlaufreaktoren zu erzeugen. Dieses bekannte Verfahren arbeitet meistens einstufig, wobei das Substrat durchmischt wird. Dabei laufen die biotechnologischen Prozesse in einem Raum unter gleichen physikalischen Bedingungen ab, nämlich die hydrolytische, säurebildende und methanbildende Prozeßphase.It is known. To produce biogas in continuous flow reactors. This known method usually works in one stage, wherein the substrate is mixed. The biotechnological processes take place in a room under the same physical conditions, namely the hydrolytic, acid-forming and methane-forming process phase.

Zunächst werden die hochmolekularen organischen Verbindungen hydrolytisch aufgeschlossen, die Reaktionsprodukte durch Mikroorganismen in niedere organische Säuren bis hin zur Essigsäure überführt, wobei Wasserstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff gebildet wird. Danach werden die Reaktionsprodukte wiederum durch Mikroorganismen bis zum Methan und Kohlendioxid abgebaut. Die einzelnen Prozeßphasen müssen immer im Gleichgewicht stehen. Beim einstufigen Verfahren sind damit aber keine optimalen Lebensbedingungen der Bakterienstämme vorhanden.First, the high molecular weight organic compounds are hydrolyzed, the reaction products are converted by microorganisms in lower organic acids to acetic acid, with hydrogen, carbon dioxide and hydrogen sulfide is formed. Thereafter, the reaction products are again degraded by microorganisms to methane and carbon dioxide. The individual process phases must always be in equilibrium. In the single-step process, however, there are no optimal living conditions of the bacterial strains.

Es ist weiterhin bekannt, die Phasen in eine Säure-und Methanphase zu trennen (Gas-Wärme international 31 (1982) 12, S. 576 bis 586). Der dazu verwendete Reaktor besteht aus konzentrisch ineinandergestellten Reaktorräumen, wobei der äußere Ringraum die Säurephase und der innere kreiszylinderförmige Raum die Methanphase aufnimmt. Im Raum für die Säurephase erfolgt der hydrolytische Aufschluß der hochmolekularen organischen Verbindungen und die Säurebildung bis hin zur Essigsäure. Beide Reaktorräume sind substratseitig über den nach unten geöffneten inneren Reaktorraum miteinander verbunden.It is also known to separate the phases into an acid and methane phase (Gas-Wärme international 31 (1982) 12, pp. 576 to 586). The reactor used for this purpose consists of concentric nested reactor chambers, the outer annulus receiving the acid phase and the inner circular cylindrical space receiving the methane phase. In the space for the acid phase of the hydrolytic digestion of high molecular weight organic compounds and the acid formation takes place up to acetic acid. Both reactor chambers are connected to each other on the substrate side via the downwardly open inner reactor chamber.

Die erforderliche Verweilzeit für die Methanphase muß je nach Art und Zusammensetzung der Biomasse immer ein Mehrfaches von der für die Säurephase betragen. Dies führt zu großen Durchmessern des inneren Reaktors, was den Materialverbrauch beträchtlich erhöht. Weiterhin entsteht dadurch ein relativ kleiner radialer Abstand zwischen den beiden zylindrischen koaxialen Reaktorräumen. Der entstehende schmale Ringraum beeinträchtigt die Zugänglichkeit, wodurch die Montage- und Korrosionsschutzarbeiten erschwert werden.The required residence time for the methane phase must always be a multiple of that for the acid phase, depending on the type and composition of the biomass. This leads to large diameters of the inner reactor, which considerably increases the material consumption. Furthermore, this results in a relatively small radial distance between the two cylindrical coaxial reactor chambers. The resulting narrow annulus impairs accessibility, making assembly and corrosion protection difficult.

Infolge der großen Verbindungsfläche zwischen den beiden Reaktorräumen am unteren Teil des Innenzylinders entsteht ein großer Übergangsbereich zwischen den beiden Phasen, die durch pH-Werte von 5,5 bis 6,0 für die Säurephase bzw. pH-Werte von 7,0 bis 7,5 für die Methanphase charakterisiert sind. Das bedeutet einen erheblichen Verlust an Methanbakterien, weil diese bei einem pH-Wert von weniger als 6,5 absterben, was den Rückfall in ein einstufiges Verfahren zur Folge hat. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil dieser bekannten technischen Lösung ist der Substratströmungsweg. In der Säurephase erfolgt die Substratdurchströmung von oben nach unten. Die dabei ablaufenden mikrobiellen Reaktionen führen u.a. zur Bildung von Schwefelwasserstoff, dessen physikalische Löslichkeit mit zunehmendem Druck entscheidend zunimmt. Dadurch wird ein erheblicher Anteil des gebildeten Schwefelwasserstoffes in gelöster Form in die Methanphase eingetragen. Durch das aufwärtsströmende Substrat in der Methanphase erfolgt aber eine Druckentlastung und damit eine Desorption des Schwefelwasserstoffes. Die Entgasung bringt diesen in den Gassammeiraum für das Biogas, wodurch eine nachträgliche Aufbereitung des Biogases erforderlich wird.Due to the large connecting area between the two reactor chambers at the lower part of the inner cylinder, a large transition region between the two phases is formed, which is characterized by pH values of 5.5 to 6.0 for the acid phase and pH values of 7.0 to 7, respectively. 5 are characterized for the methane phase. This means a significant loss of methane bacteria because they die off at a pH of less than 6.5, resulting in the relapse into a one-step process. Another serious disadvantage of this known technical solution is the substrate flow path. In the acid phase, the substrate flow is from top to bottom. The occurring microbial reactions lead i.a. to form hydrogen sulfide, whose physical solubility increases significantly with increasing pressure. As a result, a significant proportion of the hydrogen sulfide formed is introduced in dissolved form into the methane phase. Due to the upflowing substrate in the methane phase but a pressure relief and thus a desorption of hydrogen sulfide takes place. Degassing brings this into the gas collection room for the biogas, which requires subsequent treatment of the biogas.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösung besteht in der erschwerten Beseitigung der Schwimmdeckenbildung infolge des schmalen Ringraumes. Aufwendige Spüleinrichtungen mit entsprechenden Abläufen oder anderen mechanischen Vorrichtungen sind die Folge.Another disadvantage of this known solution consists in the difficult elimination of floating surface formation due to the narrow annular space. Elaborate purging with appropriate procedures or other mechanical devices are the result.

Aus dem DE-GM 8326116 ist eine Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Substraten mit organischen Stoffen zur Frzeugung von Biogas bekannt. Diese bekannte technische Lösung weist einen inneren und äußeren Reaktorraum auf. Im inneren und äußeren Reaktorraum ist eine mechanische bzw. hydraulische Umwälzeinrichtung angeordnet. Der innere Reaktorraum, der vom äußeren umhüllt ist, wird über eine in seiner Achse befindliche Fülleitung von oben befüllt. Diese Fülleitung ist an ihrem oberen Ende als Strahlpumpe ausgebildet und von einem beheizbaren Doppelmantelrohr umgeben. Bei der Beschickung des inneren Reaktorraumes mit Substrat erfolgt eine mechanische Umwälzung des im hohen Maße Belebtschlamm enthaltenen Substrates. Diese Umwälzung wird durch die Thermik noch verstärkt.A device for the anaerobic treatment of substrates with organic substances for fermentation of biogas is known from DE-GM 8326116. This known technical solution has an inner and outer reactor space. In the inner and outer reactor space, a mechanical or hydraulic circulation device is arranged. The inner reactor space, which is surrounded by the outer, is filled via an in-axis filling line from above. This filling line is formed at its upper end as a jet pump and surrounded by a heatable double-jacket tube. When feeding the inner reactor space with substrate, a mechanical circulation of the substrate contained in a high degree of activated sludge takes place. This upheaval is reinforced by the thermals.

Den unteren Abschluß des inneren Reaktorraumes bildet ein mit seiner Spitze nach oben gerichteter Kegelboden. Zwischen diesem und dem den inneren Reaktorraum umhüllenden Doppelmantelrohr verbleibt ein Ringspalt, durch den das Substrat über eine unten geöffnete Zwischenringkammer in den äußeren Reaktorraum gelani t. Durch das den inneren Reaktorraum umhüllende Doppelmantelrohr wird Biogas eingespeist, das über einen Mischinjektor in der Zwischenringkammer eine Zwei-Phasen-Strömung ermöglicht und dadurch eine Umwälzung des Substrates im zweiten Reaktorraum vollzieht. Ein im unteren Teil der Zwischenringkammer angeordneter Wärmeübertrager verstärkt infolge der thermischen Zirkulation den Umwälzvorgang.The lower end of the inner reactor space is formed by a cone with its tip upwards. Between this and the inner reactor space enveloping double-jacket tube remains an annular gap through which the substrate via a bottom opened intermediate ring chamber in the outer reactor space Gelani t. Biogas is fed through the double-walled tube surrounding the inner reactor space, which allows a two-phase flow via a mixing injector in the intermediate annular chamber and thereby completes a circulation of the substrate in the second reactor space. A arranged in the lower part of the intermediate ring heat exchanger amplified due to the thermal circulation the Umwälzvorgang.

Durch die Substratumwälzung im inneren Reaktorraum wird zwar die Anreicherung des Schwefelwasserstoffes im Substrat )eim Eintritt in den äußeren Reaktorraum entsprechend vermindert, aber die Umwälzleistung ist im starkem Maße von der Constanz der Substratzufuhr abhängig. Die Teilstromfahrweise, wie sie oftmals bei der Bereitstellung von Biomasse vorzufinden st, führt letztlich wiederum zur Anreicherung des Schwefelwasserstoffes im nutzbaren Biogas.Although the accumulation of hydrogen sulfide in the substrate is correspondingly reduced by the substrate circulation in the inner reactor space when it enters the outer reactor space, the circulation capacity depends to a large extent on the constancy of the substrate supply. The partial flow mode, as often encountered in the provision of biomass, ultimately leads in turn to the accumulation of hydrogen sulfide in the usable biogas.

Des weiteren werden für eine wirksame thermische Zirkulation auf der Grundlage der mit den beschriebenen Wärmetauschern ibertragenen Wärme auf das Substrat unzulässig hohe Temperaturgradienten wirksam, die vor allem in der Jwischenringkammer zu einem Absterben der Methanbakterien führen.Furthermore, for an effective thermal circulation on the basis of the heat transferred to the described heat exchangers on the substrate impermissibly high temperature gradients take effect, which lead to a death of the methane bacteria, especially in the Jwischenringkammer.

Darüber hinaus besteht ein weiterer Nachteil darin, daß zur Erreichung einer Zwei-Phasen-Strömung in der 'wischenringkammer ein großer Energiebedarf entsteht, der durch die notwendige Verdichtung der Gasströme im großen Creisringquerschnitt verursacht wird.In addition, there is a further disadvantage in that to achieve a two-phase flow in the wischenringkammer a large energy requirement arises, which is caused by the necessary compression of the gas streams in the large Creisringquerschnitt.

Beim Ausströmen des Biogases aus der Mischdüse in die Zwischenringkammer entstehen bei Druckschwankungen Gasverluste iurch das Einströmen in den inneren Reaktorraum.When the biogas flows out of the mixing nozzle into the intermediate ring chamber, gas losses occur during pressure fluctuations due to the inflow into the inner reactor space.

/on Nachteil ist weiterhin, daß der Feststoffaustrag aus dem Bodenbereich des äußeren Reaktorraumes erschwert ist, was aber iie Gefahr der Feststoffanreicherung im Bereich der unteren Öffnung der Zwischenringkammer erhöht und letztlich zu /erstopfungen und zur Unwirksamkeit der Substratumwälzung im äußeren Reaktorraum führt./ on disadvantage is further that the solids discharge from the bottom region of the outer reactor space is difficult, but iie increased risk of solid accumulation in the lower opening of the intermediate ring chamber and ultimately leads to / stoppages and inefficiency of substrate re-circulation in the outer reactor space.

Nachteilig ist auch, daß im inneren Reaktorraum gegen die Schwimmdeckenbildung nur die Strahlpumpe wirkt. Die Bildung iiner Schwimmdecke ist damit kaum zu verhindern und eine bereits gebildete Schwimmdecke ist mit einem solchen Mittel nicht nehr zu zerstören.Another disadvantage is that only the jet pump acts in the inner reactor space against the floating ceiling formation. The formation of a floating blanket is therefore difficult to prevent and an already formed swimming blanket is not to be destroyed with such an agent.

Das DE-GM 8211869 beschreibt eine Lösung, in der zur Erzeugung des Biogases der Faulraum in einen ersten und zweiten teumbereich aufgeteilt wird. Die Aufteilung des Faulraumes ermöglicht die getrennte Ableitung der in den Vorgärstufen infallenden Gase. Der erste Raumbereich ist im Zentrum des Gesamtfaulraumes angeordnet und wird vom zweiten teumbereich umhüllt. Er ragt über den umhüllenden zweiten Raumbereich hinaus und enthält einen Einfüllstutzen, der sich intweder oberhalb des zweiten Raumbereiches befindet oder durch diesen hindurchführt. Des weiteren befindet sich in Höhe ies Einfüllstutzens im ersten Raumbereich eine Rühreinrichtung und zur Förderung von Feststoffen aus dem Bodenbereich des ^:aulraumes ein drehbares Rohr mit Gestänge, das den Austrag direkt oder mittels einer Schnecke ermöglicht. Der Austrag des lusgefaulten Substrates erfolgt im zweiten Raumbereich oben über ein getauchtes Rohr.DE-GM 8211869 describes a solution in which the digester is divided into a first and second teumbereich for generating the biogas. The division of the digester space allows the separate discharge of falling in the Vorgärstufen gases. The first room area is located in the center of the total lavatory and is surrounded by the second teumbereich. It protrudes beyond the enveloping second space area and includes a filler neck which is either above the second space area or passes therethrough. Furthermore, at the level of the filler neck in the first space area, there is an agitating device and for conveying solids out of the bottom area of the space ^: a rotatable tube with a rod, which allows the discharge directly or by means of a screw. The discharge of the lusgefaulten substrate takes place in the second space above a dipped pipe.

Die bekannte Lösung nach DE-GM 8211 869 hat den Nachteil, daß infolge des Strömungsweges des auszufaulenden Substrates 'on oben nach unten Schwefelwasserstoffanreicherungen im nutzbaren Biogas entstehen, die eine aufwendige Aufbereitung Jes Biogases erfordern.The known solution according to DE-GM 8211 869 has the disadvantage that arise due to the flow path of the auszufaulenden substrate 'on top down hydrogen sulfide enrichments in usable biogas, which require a complex processing Jes biogas.

Diese bekannte technische Lösung hat weiterhin den Nachteil, daß eine große Übergangsphase zwischen dem ersten und weiten Raumbereich vorhanden ist, wodurch erhebliche Mengen an Methanbakterien absterben.This known technical solution also has the disadvantage that there is a large transition phase between the first and wide spatial regions, as a result of which significant amounts of methane bacteria die off.

:in weiterer Nachteil ergibt sich aus den beträchtlichen Energieaufwendungen beim Betrieb der Einrichtungen. Infolge der ibenen Gestaltung des Bodens der Raumbereiche entstehen Transportaufwendungen für den Feststofftransport vom Xußenbereich des Bodens zu der in der Achse des ersten Raumbereiches befindlichen Austrageinrichtung sowie für den /Veitertransport durch dieselbe bis oberhalb des ersten Raumbereiches.: at a further disadvantage results from the considerable energy expenditure in the operation of the facilities. As a result of the internal design of the floor of the room areas, transport expenditures for the transport of solids arise from the outer area of the floor to the discharge unit located in the axis of the first room area and for the transport of the same through to above the first room area.

^:ür die Vermeidung der Schwimmdeckenbildung bzw. deren Beseitigung im ersten Raumbereich ist ein Rührwerk vorhanden, ias erfahrungsgemäß dazu nicht ausreicht. Zusätzliche energetische Maßnahmen sind die Folge. ^: For the avoidance of floating ceiling formation or its elimination in the first room area, there is a stirrer, which according to experience is insufficient for this purpose. Additional energy measures are the result.

\us der DE-OS 3232530 ist eine technische Lösung bekannt, bei der die Phasentrennung ebenfalls durchgeführt wird und bei der lie Räume der Methanfermentation Führungen aus porösen Material enthalten, die eine Anreicherung von Mikroorganismen jestatten. Ein im Zentrum liegender Reaktionsraum für die Säurephase wird von einem Raum oder mehreren Räumen für die i/lethanphase umgeben. Für den Methanphasenreaktionsraum werden entweder separate vertikale oder horizontale :reiszylinderförmige Räume angewendet, die mittels absperrbarer Rohrleitungen mit dem Reaktionsraum für die Säurephase verbunden sind und es ist ein oder es sind mehrere Methanphasenreaktionsräume um den Säureraum konzentrisch ingeordnet.DE-OS 3232530 a technical solution is known in which the phase separation is also carried out and in the lie rooms of the methane fermentation contain guides made of porous material, which provide an accumulation of microorganisms. A central reaction space for the acid phase is surrounded by one or more rooms for the i / lethane phase. For the methane phase reaction space either separate vertical or horizontal: rice cylindrical spaces are used, which are connected by means of shut-off pipes with the reaction space for the acid phase and there is one or more methane phase reaction spaces around the acid space concentrically.

Der Reaktionsraum für die Säurephase wird auch bei dieser bekannten technischen Lösung von oben nach unten durchströmt, vas wiederum zur Schwefelwasserstoffanreicherung im Biogas führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Schwimmdeckenbildung im Reaktionsraum der Methanphase nicht vermeidbar ist und ihre Beseitigung einen großen apparativen und energetischen Aufwand erfordert.The reaction space for the acid phase is also flowed through in this known technical solution from top to bottom, vas in turn leads to hydrogen sulfide enrichment in biogas. Another disadvantage is that the floating cover formation in the reaction space of the methane phase is unavoidable and their removal requires a large expenditure on equipment and energy.

äesonders die konzentrische Anordnung mehrerer Methanphasenreaktionsräume erhöht die Gefahr von Verstopfungen im jubstratfluß und damit der Beschädigungen der porösen Führungselemente. Des weiteren haben diese bekannten /orrichtungen den Nachteil, daß durch die ebene Ausführung der unteren Begrenzung der Reaktionsräume erhebliche Probleme aei der Schlammentnahme entstehen. Schlammanreicherungen im Bereich der Umlenkungen verursachen dazu noch /erstopfungen, die Beschädigungen an den porösen Führungen hervorrufen. Die zwangsweise Außerbetriebnahme der /orrichtung ist die Folge.Especially the concentric arrangement of several methane phase reaction chambers increases the risk of blockages in the substrate flow and thus the damage of the porous guide elements. Furthermore, these known / devices have the disadvantage that arise by the flat design of the lower boundary of the reaction chambers significant problems aei the sludge removal. Mud accumulations in the area of the deflections also cause clogging, which causes damage to the porous guides. Forcible decommissioning of the / orrichtung is the result.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung des Methanbakterienverlustes im Übergangsbereich zwischen der Säure-und vlethanphase, der Reduzierung der Schwefelwasserstoffanreicherung im nutzbaren Biogas, in der Verringerung der jrforderlichen Faulräume und in der Vermeidung der Schwimmdeckenbildung bei Einsparung von Material, Energie, Kosten jnd der Verbesserung der Montierbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und der Betriebssicherheit.The object of the invention is to reduce the loss of methane bacteria in the transition zone between the acid and vapor phase, the reduction of hydrogen sulfide enrichment in the usable biogas, the reduction of the required septic tanks and the avoidance of flooding while saving material, energy, costs and the improvement mountability, ease of maintenance and operational safety.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Eintrag des Schwefelwasserstoffes in die Methanphase zu verhindern und die 3esamtverweilzeit herabzusetzen.The invention has for its object to prevent the entry of hydrogen sulfide in the methane phase and reduce the total residence time.

irfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Substratstoffe innerhalb der Säurephase eine Aufwärtsströmung /ollziehen, während der der im Substrat sich bildende und gelöste Schwefelwasserstoff durch ständige Druckentlastung Resorbiert wird, dieser anschließend gesondert gespeichert und das von Schwefelwasserstoff desorbierte Substrat der vlethanphase zugeführt wird, die aus einer Zwischen- und einer Hauptstufe besteht, die vom Substrat nacheinander nach doppelter Umlenkung durchströmt werden, wobei in der Zwischenstufe eine bevorzugte Essigsäurebildung stattfindet und gleichzeitig aktives Substrat aus der Hauptstufe in die Zwischenstufe und in die Säurephase zurückgeführt wird.According to the invention, this object is achieved in that the substrate substances within the acid phase an upward flow / ollziehen while the forming and dissolved in the hydrogen sulfide is absorbed by constant pressure relief, this is then separately stored and fed to the hydrogen chloride desorbed substrate of vlethanphase, the consists of an intermediate and a main stage, which are flowed through by the substrate successively after double deflection, wherein in the intermediate stage a preferred acetic acid formation takes place and at the same time active substrate is recycled from the main stage in the intermediate stage and in the acid phase.

Die technisch-ökonomischen Auswirkungen, insbesondere die Effektivität der Erfindung bestehen in der Verringerung des Methanbakterienverlustes im Übergangsbereich zwischen der Säure- und Methanphase.The technical-economic effects, in particular the effectiveness of the invention consist in the reduction of Methanbakterienverlustes in the transition region between the acid and methane phase.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Reduzierung der Schwefelwasserstoffanreicherung im nutzbaren Biogas und vermeidet die Schwimmdeckenbildung. Dies führt zur Einsparung von Material, Energie und Kosten sowie zur Verbesserung der Montierbarkeit des Reaktors, der Wartungsfreundlichkeit und der Betriebssicherheit der Reaktoren.The inventive method allows the reduction of hydrogen sulfide enrichment in the usable biogas and avoids the floating cover formation. This leads to savings in material, energy and costs and to improve the mountability of the reactor, the ease of maintenance and the reliability of the reactors.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich ferner dadurch aus, daß es eine geringere Verweilzeit des Substrates im Reaktor gestattet. Des weiteren können die erforderlichen Faulräume verkleinert werden.The inventive method is further characterized by the fact that it allows a lower residence time of the substrate in the reactor. Furthermore, the required septic tanks can be downsized.

embodiments

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to two embodiments.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Durchlaufbioreaktors, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.The accompanying drawing shows a schematic representation of a continuous bioreactor, in which the inventive method is performed.

Dieser Reaktor besteht aus einem im Zentrum angeordneten inneren Reaktorraum 1, der von einem äußeren Reaktorraum 2 konzentrisch umgeben ist. Beide Reaktorräume sind durch einen zweigeteilten Zwischenreaktionsraum 3 getrennt. Der Teilraum 3b des Zwischenreaktionsraum 3 umhüllt seinerseits den inneren Reaktorraum 1, der Teilraum 3a umschließt seinerseits den Ausströmkegel 4 des inneren Reaktorraums 1. Beide Teilräume 3a und 3 b sind durch einen kegelstumpfförmigen Mantel 5 voneinander getrennt. Der Ausströmkegel 4 des inneren Reaktorraums 1 und der Mantel 5 des Teilraums 3a sind dabei so ineinandergeschoben, daß beide eine Trichter 6 bilden, in dessen seitliche Öffnung der Ringspalt 7 angeordnet ist. DerTeilraum 3 b ist bodenseitig zum äußeren Reaktorraum 2 hin geöffnet. In den inneren Reaktorraum führt ein parallel zur Reaktorachse angeordnetes Substrattauchrohr 8, über das das auszufaulende Substrat in den inneren Reaktorraum 1 gelangt. Das Substrattauchrohr 8 endet im Bodenbereich des inneren Reaktorraumes 1. Der Boden 9 des Reaktorraumes 1 ist als ein mit der Spitze nach unten gerichteter Kegel ausgebildet. Ebenso ist der Boden 10 des Reaktorraumes 2 ausgebildet.This reactor consists of an inner reactor chamber 1 arranged in the center, which is surrounded concentrically by an outer reactor chamber 2. Both reactor spaces are separated by a two-part intermediate reaction space 3. The subspace 3b of the intermediate reaction chamber 3 in turn surrounds the inner reactor space 1, the subspace 3a in turn surrounds the Ausströmkegel 4 of the inner reactor space 1. Both subspaces 3a and 3b are separated by a frustoconical jacket 5 from each other. The Ausströmkegel 4 of the inner reactor chamber 1 and the jacket 5 of the subspace 3a are pushed together so that both form a funnel 6, in the lateral opening of the annular gap 7 is arranged. The subspace 3 b is open on the bottom side to the outer reactor chamber 2. In the inner reactor space leads a parallel to the reactor axis arranged substrate immersion tube 8, via which the auszufaulende substrate enters the inner reactor chamber 1. The substrate immersion tube 8 terminates in the bottom region of the inner reactor space 1. The bottom 9 of the reactor space 1 is designed as a tip-down cone. Likewise, the bottom 10 of the reactor space 2 is formed.

Die obere Begrenzung der Teilräume 3a und 3 b sowie des äußeren Reaktorraumes 2 ist durch den Flüssigkeitsspiegel des Substrates gegeben. Die Räume 3a, 3b und 2 führen in die Gassammeiräume 1,5 und 12, wobei der Gassammeiraum 11 über dem Teilraum 3a durch den Mantel 5 des Teilraumes 3a vom Gassammeiraum 12 gasdicht getrennt ist.The upper boundary of the subspaces 3 a and 3 b and the outer reactor chamber 2 is given by the liquid level of the substrate. The spaces 3a, 3b and 2 lead into the gas collection chambers 1, 5 and 12, wherein the gas collection chamber 11 is separated in a gas-tight manner via the compartment 3 a through the jacket 5 of the compartment 3 a from the gas collection chamber 12.

An der tiefsten Stelle des inneren Reaktorraumes 1 befindet sich eine Entnahmeleitung 13 für Sinkschlamm. Im Boden 9 des Reaktorraumes 1 sind mehrere gleichmäßig verteilte Spülrohre 14 vorgesehen.At the lowest point of the inner reactor chamber 1 is a sampling line 13 for sinking sludge. In the bottom 9 of the reactor chamber 1 more evenly distributed purge tubes 14 are provided.

Ein Überlauftrichter 15 ist im Teilraum 3a des Reaktorraumes 1 in Höhe des Flüssigkeitsspiegels des Substrates angeordnet, dessen Entnahmeleitung durch den Mantel 5 des Teilraumes 3 a in den Teilraum 3 b und von dort durch den Boden 10 nach außen führt.An overflow funnel 15 is disposed in the subspace 3 a of the reactor space 1 at the level of the liquid level of the substrate, the removal line through the jacket 5 of the subspace 3 a in the subspace 3 b and from there through the bottom 10 leads to the outside.

Die Böden 9 und 10 sind in ihrer Neigung äquivalent zueinander ausgebildet. Eine Sinkschlammentnahmeleitung 16 befindet sich an der tiefsten Stelle des Bodens 10. Mehrere zur Kegelspitze hin gerichtete Spülrohre 17 sind im Boden 10 angeordnet. In Höhe des Flüssigkeitsspiegels des Substrates ist eine Entnahmeeinrichtung für das ausgefaulte Substrat vorhanden.The bottoms 9 and 10 are formed in their inclination equivalent to each other. A Sinkschlammentnaheiteitung 16 is located at the lowest point of the bottom 10. Several directed towards the cone tip flush pipes 17 are arranged in the bottom 10. At the level of the liquid level of the substrate, a removal device for the digested substrate is present.

Die Zuführung des Substrates erfolgt so, daß das Substrat durch das Substrattauchrohr 8 in.den Bodenbereich des inneren Reaktorraumes 1 gedrückt wird. Dabei vollzieht es nach Verlassen des Substrattauchrohres 8 eine ungehinderte Aufwärtsströmung. In diesem Bereich laufen die Reaktionen der Hydrolyse und der Säurefermentation ab. Der als Reaktionsprodukt in der Säurephase entstandene und im Substrat gelöste Schwefelwasserstoff wird infolge der mit der Aufwärtsströmung des Substrates einhergehenden Druckreduzierung desorbiert. Der entweichende Schwefelwasserstoff wird in dem oberhalb des Teilraumes 3a befindlichen Gassammeiraum 11 aufgefangen und gespeichert bzw. über die Entnahmeleitung 18 abgezogen. Das von Schwefelwasserstoff weitgehend befreite Substrat wird dann der Methanphase zugeführt, die in eine Zwischen- und eine Hauptstufe unterteilt ist-Das Substrat gelangt zunächst in den Teilraum 3a und wird durch den Mantel 5 des Teilraumes 3 a in eine Abwärtsströmung gezwungen, wobei es durch den Ringspalt 7 in den Teilraum 3 b eintritt. Nach Durchströmen des Teilraumes 3 b tritt das Substrat nach erneuter Umlenkung in die Hauptstufe der Methanphase ein. Dabei vollzieht das Substrat wiederum eine Aufwärtsströmung. Das dabei entstehende Biogas wird im Gassammeiraum 12 aufgefangen und je nach Bedarf mittels einer Entnahmeleitung 19 abgezogen.The substrate is fed in such a way that the substrate is pressed through the substrate immersion tube 8 into the bottom area of the inner reactor space 1. In doing so, it exits an unhindered upward flow after leaving the substrate immersion tube 8. In this area, the reactions of hydrolysis and acid fermentation take place. The resulting as the reaction product in the acid phase and dissolved in the substrate hydrogen sulfide is desorbed due to the associated with the upward flow of the substrate pressure reduction. The escaping hydrogen sulfide is collected in the gas collecting chamber 11 situated above the subspace 3a and stored or withdrawn via the removal line 18. The substrate largely freed of hydrogen sulphide is then fed to the methane phase, which is subdivided into an intermediate and a main stage. The substrate first passes into the subspace 3a and is forced through the jacket 5 of the subspace 3a into a downward flow, passing through the Annular gap 7 enters the subspace 3 b. After flowing through the subspace 3 b, the substrate enters after renewed deflection in the main stage of the methane phase. The substrate again makes an upward flow. The resulting biogas is collected in the gas collection chamber 12 and withdrawn as needed by means of a sampling line 19.

Die Substrathomogenisierung erfolgt in der Zwischenstufe im Teilraum 3a. Der Schwimmschlamm auf dem Substrat wird durch Spülung mit Substrat aus der Hauptstufe der Methanphase mittels auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichteter Spülrohre 20 a und 20 b entfernt. Eventuelle Reste des Schwimmschlammes werden durch Anstau des Flüssigkeitsspiegels in einen an der Substratoberfläche befindlichen Überlauftrichter 15 hineingespült und aus der Zwischenstufe ausgeschleust.Substrate homogenization takes place in the intermediate stage in subspace 3a. The scum on the substrate is removed by flushing with substrate from the main stage of the methane phase by means of directed onto the liquid surface rinsing pipes 20 a and 20 b. Any residues of the floating sludge are flushed into a located on the substrate surface overflow funnel 15 and discharged from the intermediate stage by damming the liquid level.

Die Flüssigkeitsoberfläche im Teilraum 3 b der Zwischenstufe wird ebenfalls mit Substrat aus der Hauptstufe der Methanphase gespült, um die symbiotische Population von methanogenen und acetogenen Bakterienstämmen zu fördern. Mit diesem Prozeß wird eine gezielte Essigsäurebildung in der Zwischenstufe erreicht. Durch vorherige Substrateinspülung über die Spülrohre 14 im Boden 9 wird die Sinkschlammentnahme unterstützt. In den äußeren Reaktorraum 2 bzw. in die Hauptstufe der Methanphase gelangender oder sich bildender Sinkschlamm wird mittels der Sinkschlammentnahmeleitung 16 entfernt. Auch hier erfolgt die Unterstützung c?r Sinkschlammentnahme durch Substrateinspülung über die Spülrohre 17 im Boden 10. Für die Spülungen wird Substrat Ober einen in den unteren Bereich des äußeren Re?ktorraumes 2 reichender Substratabzug 22 aus der Methanphase entnommen.The liquid surface in subspace 3b of the intermediate stage is also rinsed with substrate from the main stage of the methane phase to promote the symbiotic population of methanogenic and acetogenic bacterial strains. With this process, a targeted formation of acetic acid in the intermediate stage is achieved. By prior substrate flushing via the flushing tubes 14 in the bottom 9 Sinkschlammentnahme is supported. Sinking sludge reaching or forming in the outer stage 2 or in the main stage of the methane phase is removed by means of the sink sludge removal conduit 16. Here, too, the support for sinking sludge removal by substrate flushing takes place via the rinsing tubes 17 in the bottom 10. For the rinses, substrate is removed from the methane phase via a substrate take-off 22 extending into the lower region of the outer rake chamber 2.

Der Abzug des ausgefaulten Substrates geschieht übeere die Entnahmeeinrichtung 21 in Höhe des Flüssigkeitsspiegels.The withdrawal of the digested substrate is done berry the removal device 21 in height of the liquid level.

eispiel 1Example 1

ei der Aufbereitung von kommunalem Abwasserschlamm soll für die organische Trockensubstanz eine Abbaurate von 40% rreicht werden und ein bei hoher Raumbelastung der Reaktoren von <10d methanreiches und nahezu shwefelwasserstofffreies Biogas entstehen. Die zugelassene Konzentration an Schwefelwasserstoff im Biogas soll weniger als ,02 Vol.-% erreichen.In the treatment of municipal sewage sludge, a degradation rate of 40% is to be achieved for the organic dry substance, and a biogas rich in methane and almost free of hydrogen sulphide is produced at a high volume loading of the reactors of <10d. The authorized concentration of hydrogen sulphide in the biogas should reach less than, 02 Vol .-%.

ei der zweistufigen mesophilen Fermentation von kommunalem Abwasserschlamm mit einem TS-Gehalt von durchschnittlich 5kg/m³ wurden im Temperaturbereich von 33 bis 35°C und bei Gesamtverweilzeiten um 7,5d Abbauraten der organischen rockensubstanz 5 von 46% erzielt. Dabei wurden folgende Verweilzeiten eingestellt:The two-stage mesophilic fermentation of municipal sewage sludge with an average TS content of 5 kg / m ³ was achieved in the temperature range from 33 to 35 ° C and at total residence times by 7.5 d of organic rock substance 5 of 46%. The following residence times were set:

Säurephase (innerer Reaktorraum) 1,06dAcid phase (internal reactor space) 1.06d

Zwischenreaktionsraum—Teilraum 3a 0,07 dInter-reaction space subspace 3a 0.07 d

Teilraum 3 b 0,95 dSubspace 3 b 0.95 d

Methanphase (äußerer Reaktorraum) 5,46 dMethane phase (outer reactor space) 5.46 d

Summe 7,54dTotal 7.54d

ei durchschnittlichen Substrat-pH-Werten für die Säurephase von 5,8 und für die Methanphase von 7,4 wurde eine lethanproduktionsrate bis zu 3,5 m³/d.m³ Reaktorvolumen erreicht, 'as erzeugte Biogas hatte folgende Zusammensetzungan average substrate pH for the acid phase of 5.8 and for the methane phase of 7.4 reached a methane production rate of up to 3.5 m ³ / dm ³ reactor volume; the biogas produced had the following composition

CH₄ 65 bis 78 Vol.-%CH ₄ 65 to 78% by volume

CO₂ 22 bis 34 Vol.-%CO ₂ 22 to 34% by volume

N₂ 0,2 bis 1,5Vol.-%N ₂ 0.2 to 1.5 vol.%

H₂S <0,01 Vol.-%.H ₂ S <0.01% by volume.

lie Schwefelwasserstoffkonzentration lag im ppm-Bereich.The concentration of hydrogen sulphide was in the ppm range.

eispiel 2Example 2

ei der Aufbereitung von Hühnergülle soll für die organische Trockensubstanz eine Abbaurate von mehr als 40% erreicht und bei oher Raumbelastung des Reaktors von <1 Od ein methanreiches, nahezu schwefelwasserstofffreies Biogas erzeugt werden. Die chwefelwasserstoffkonzentration soll 0,02 Vol.-% nicht überschreiten.In the processing of chicken manure, a decomposition rate of more than 40% is to be achieved for the organic dry substance and a methane-rich, almost hydrogen sulphide-free biogas can be generated at an open space load of the reactor of <1 Od. The hydrogen sulphide concentration should not exceed 0.02% by volume.

ι einer zweistufigen Fermentation der Hühnergülle mit einem TS-Gehait von durchschnittlich 65kg/m³ wurde unter den !eichen Prozeßparametern wie im Beispiel 1 eine Abbaurate für die organische Trockensubstanz von 43% erzielt.In a two-stage fermentation of the chicken manure with a TS content of on average 65 kg / m ³ , a degradation rate for the organic dry matter of 43% was achieved under the same process parameters as in Example 1.

lie Methanproduktionsrate erreichte Werte von 3,9 m³/d.m³ Reaktorvolumen. Das erhaltene Biogas hatte Methan-Gehalte wischen 65 bis 80 Vol.-%. Die Konzentration an Schwefelwasserstoff im nutzbaren Biogas betrug weniger als 0,014 Vol.-%.The methane production rate reached values of 3.9 m ³ / dm ³ reactor volume. The biogas obtained had methane contents between 65 and 80% by volume. The concentration of hydrogen sulphide in the usable biogas was less than 0.014 vol .-%.

Claims

Invention claim:

Process for the production of hydrogen sulphide-free biogas, in which the hydrolysis and acid fermentation on the one hand and the methane fermentation on the other run in separate process stages, characterized in that the substrate substances perform an upward flow within the acid phase, while desorbing the forming and dissolved in the substrate hydrogen sulfide by constant pressure relief is then stored separately and the hydrogen sulfide-freed substrate methane phase is supplied, consisting of an intermediate and a main stage, which are flowed through by the substrate after double deflection in succession, wherein takes place in the intermediate stage, a preferred formation of acetic acid and simultaneously active substrate the main stage is attributed to the intermediate stage and the acid phase.

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