DD246531A1 - PROCESS FOR OBTAINING BIOGAS FROM ORGANIC MATERIALS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus organischen Reststoffen wie Schweine-, Rinder- oder Huehnerguelle. In komplex zusammengesetzten Substraten wie Guelle werden die organischen Bestandteile mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten abgebaut, z. B. loesliche Kohlenstoffanteile bedeutend schneller als nicht geloeste. Durch die bekannten Verfahren der anaeroben Fermentation von Guelle werden diese spezifischen Substrateigenschaften nicht beruecksichtigt. Das Ziel der Erfindung besteht in einer Erhoehung der Biogasausbeute durch eine dem Substrat bzw. den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten der Substratinhaltsstoffe angepassten Stoffuehrung. Das Ziel wird durch Trennung in zwei Verfahrensstufen erreicht, indem die Guelle waehrend einer im Verhaeltnis zum zweiten Behaelter kurzen Verweilzeit in einen ersten Reaktor durch natuerliche Sedimentation in eine trockensubstanzreiche, feststoffenthaltende Fraktion und in eine von abbaubaren Kohlenstoffanteilen im wesentlichen befreiten fluessige Phase getrennt wird und die feststoffreiche Fraktion in einem zweiten Reaktor mit einer im Verhaeltnis zur ersten Verfahrensstufe laengeren Verweilzeit weitgehend ausgefault wird. Die Erfindung kann in Tierproduktionsanlagen sowie zur Energieerzeugung aus anderen organischen Reststoffen genutzt werden.The invention relates to a process for the production of biogas from organic residues such as pork, beef or chicken. In complex composite substrates such as Guelle, the organic components are degraded at different reaction rates, eg. B. soluble carbon content significantly faster than not solved. By the known methods of anaerobic fermentation of guelle these specific substrate properties are not taken into account. The aim of the invention is to increase the biogas yield by means of a material feed adapted to the substrate or the different degradation rates of the substrate constituents. The objective is achieved by separation in two process steps by separating the slurry into a first reactor by natural sedimentation into a dry matter-rich solids-containing fraction and a liquid phase substantially freed from degradable carbon contents during a residence time short in relation to the second vessel solid-rich fraction in a second reactor with a lengthened in relation to the first stage of the process residence time is largely ausgefault. The invention can be used in animal production plants and for the production of energy from other organic residues.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Gülle durch anaerobe Fermentation bei gleichzeitiger Reduzierung unerwünschter Inhaltsstoffe der Gülle. Die Erfindung gehört in das Gebiet dertechnischen Mikrobiologie und kann in Anlagen der industriellen Tierproduktion, insbesondere in Anlagen der Schweinezucht, in denen Gülle anfällt, genutzt werden.The invention relates to a method for producing biogas from manure by anaerobic fermentation while reducing undesirable ingredients of the manure. The invention belongs to the field of technical microbiology and can be used in plants of industrial animal production, in particular in pig production plants in which manure is obtained.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen 'Characteristic of the known technical solutions'
Zur Erhöhung der Effizienz von Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Gülle werden nach den bekannten Verfahren der biotechnologischen Güllebehandlung zwei Wege beschritten. Erstens wird versucht, durch eine Vorbehandlung der Güllesubstrate außerhalb des eigentlichen Methanreaktors die Biogasausbeute zu erhöhen und zweitens, den Bedarf an Prozeßenergie zur Erwärmung des Fermentationsmediums bzw. zur Umwälzung der Reaktoren zu reduzieren. Die erstgenannten Verfahren konzentrieren sich neben einer physikalischen Vorbehandlung (z. B. US 4401 565) auf mikrobielle Voraufschlüsse der Substrate unter anaeroben oder aeroben Bedingungen. Insbesondere zur Methanerzeugung aus Flüssigmist sind eine Vielzahl von Verfahren konzipiert, die durch Vorsäuerung vor der eigentlichen Methangärung eine effektivere Verfahrensgestaltung-ermöglichen (zweistufige Verfahren, z.B. DE 2821796, US 4022665, CH 495302, GB 2013170), wobei auch im Substrat enthaltene Feststoffe nach der Vorsäuerung abgetrennt werden können, was sie Effektivität der Methanstufe weiter erhöhen soll (DE 3102739). Daneben gewinnen zunehmend Verfahren der enzymatischen Vorbehandlung an Bedeutung, die die Enzymsysteme aerober Mikroorganismen zum Voraufschluß vergärbarer organischer Substanz nutzen. (DD 217786, US 4350588, DE 3327541).In order to increase the efficiency of processes for the production of biogas from manure, two methods are used according to the known methods of biotechnological manure treatment. First, an attempt is made to increase the biogas yield by pretreatment of the slurry substrates outside the actual methane reactor and, secondly, to reduce the need for process energy for heating the fermentation medium or for circulating the reactors. In addition to a physical pretreatment (eg US Pat. No. 4,401,565), the first-mentioned methods focus on microbial pre-digestion of the substrates under anaerobic or aerobic conditions. In particular, for the production of methane from liquid manure, a variety of methods are conceived that allow a more effective process design by pre-acidification prior to the actual methane fermentation (two-stage process, eg DE 2821796, US 4022665, CH 495302, GB 2013170), wherein also contained in the substrate solids according to Pre-acidification can be separated, which they should further increase the effectiveness of the methane level (DE 3102739). In addition, methods of enzymatic pretreatment, which the enzyme systems of aerobic microorganisms use for the preliminary digestion of fermentable organic substances, are becoming increasingly important. (DD 217786, US 4350588, DE 3327541).
Derartige Verfahren sind wegen des exergonischen Verlaufs der aeroben Stufe und der Nutzung dieser Wärme als Prozeßwärme für die anaerobe Stufe aus energetischen Gesichtspunkten von besonderem Interesse.Such processes are of particular interest because of the exergonic course of the aerobic stage and the use of this heat as process heat for the anaerobic stage from an energetic point of view.
Zur Verminderung des Einsatzes an Prozeßenergie zur Umwälzung der Reaktoren wird auf eine scherkraftarme Durchmischung orientiert, um die Symbiose der an der Methanbildung beteiligten Bakterienkulturen nicht negativ zu beeinflussen. In dem in DD 207696 beschriebenen Verfahren erfolgt die Wärmezufuhr unmittelbar nach der Umwälzpumpe. Durch die Wärmezufuhr wird die Gaslöslichkeit im Gemisch vermindert und durch das entweichende Gas im Steigrohr eine Auftriebswirkung erreicht. Während der Abwärtsbewegung bleibt das Gas durch den hydrodynamischen Druck gelöst. Das in DE 3309299 beschriebene Verfahren zum anaeroben Behandeln von Rohschlamm aus kommunalen Kläranlagen erfolgt in mindestens zwei Reaktionsräumen mit unterschiedlichem biologischem Milieu. Es wird eine koaxial geführte Umlaufströmung derart erzeugt, daß eine ausreichende Umwälzung für einen optimalen Substrat- und Stoffwechsel-Produkt-Transport gewährleistet ist und zu hohe, die Symbiose der Acetatbakterien und Methanbakterien beeinträchtigende Scherkräfte vermieden werden. Nach DE 3309300 ist die Vorrichtung zur Erzeugung einer Umlaufströmung aus flexiblem Material hergestellt. Zur selbsttätigen Umwälzung von ausfaulender Biomasse wird auch der selbsterzeugte Gasdruck genutzt (DE 3230010).To reduce the use of process energy to circulate the reactors is based on a low shear mixing, so as not to adversely affect the symbiosis of the bacterial cultures involved in methane formation. In the method described in DD 207696, the heat is applied immediately after the circulation pump. By the heat supply, the gas solubility in the mixture is reduced and achieved by the escaping gas in the riser a buoyancy effect. During the downward movement, the gas remains dissolved by the hydrodynamic pressure. The method described in DE 3309299 for the anaerobic treatment of raw sludge from municipal sewage treatment plants is carried out in at least two reaction chambers with different biological environment. There is a coaxially guided recirculation flow generated in such a way that a sufficient circulation is ensured for optimal substrate and metabolism product transport and excessive, the symbiosis of the acetate bacteria and Methanbakterien impairing shear forces are avoided. According to DE 3309300, the device for producing a circulating flow of flexible material is produced. For self-circulation of ausfaulender biomass and the self-generated gas pressure is used (DE 3230010).
Neben diesen Verfahren mit ideal durchmischten Reaktoren gewinnen insbesondere in der Abwassertechnik zur Aufbereitung industrieller Abwässer bzw. Klärschlammfaulung Verfahren mit substratspezifischer Stofführung zunehmend an Bedeutung. Mit einer Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser wird in einer Nachklärkammer der Schlamm vom Faulwasser getrennt und wieder in den Reaktionsraum zurückgeführt (DE 2728585).In addition to these processes with ideally mixed reactors, processes with substrate-specific material handling are becoming increasingly important, especially in wastewater technology for treating industrial wastewater or sewage sludge digestion. With a device for anaerobic purification of wastewater, the sludge is separated from the digested water in a secondary clarification chamber and returned to the reaction space (DE 2728585).
Neben diesen sogenannten Kontaktverfahren sind Lösungen vorgeschlagen, Schlamm und Substrat innerhalb des Reaktors durch Fixierung der Biomasse an Trägermaterialien zu trennen (DE 3134879, DE 2748313, DE 2520742). Während Verfahren mit •substratspezifischer Stofführung in der kommunalen Abwassertechnik schon angewendet werden, fehlen bisher für landwirtschaftliche Fermentationsrohstoffe wie Gülle spezifische Verfahrenslösungen, so daß für die anaerobe Fermentation von Gülle noch immer ideal durchmischte Reaktoren mit unterschiedlichen Strömungsführungen (Umlaufstörung im. Schlaufenreaktor, Pfropfenströmung im Gärkanal) Stand der Technik sind. In Gülle als kolloid dispersem Substrat liegen die zu Biogas utilisierbaren Kohlenstoffverbindungen sowohl in gelöster als auch in ungelöster Form vor und unterscheiden sich erheblich in der Reaktionsgeschwindigkeit ihres Abbaus. Diese spezifischen Eigenschaften von Flüssigmistsubstraten finden in den bekannten Lösungen zur Erzeugung von Biogas aus Gülle keine Berücksichtigung, so daß wenig abgebaute Bestandteile derIn addition to these so-called contact methods, solutions are proposed to separate sludge and substrate within the reactor by fixing the biomass to support materials (DE 3134879, DE 2748313, DE 2520742). While processes with • substrate-specific material handling in municipal wastewater technology are already being used, there are no specific process solutions for agricultural fermentation raw materials such as manure so that ideally mixed reactors with different flow paths (circulation disturbance in the loop reactor, plug flow in the fermentation channel) are still used for the anaerobic fermentation of liquid manure. State of the art. In slurry as a colloidally disperse substrate, the carbon compounds that can be used for biogas are present in both dissolved and undissolved form and differ significantly in the rate of their degradation. These specific properties of liquid manure substrates are not considered in the known solutions for the production of biogas from manure, so that little degraded components of the
organischen Substanz dem Reaktor entnommen und bereits vollständig abgebaute Gülleflüssigkeit im Reaktor verbleibt und diesen zusätzlich hydraulisch belastet.taken organic substance from the reactor and already completely degraded liquid manure remains in the reactor and this additionally charged hydraulically.
Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Biogas aus Gülle oder ähnlichen Substraten bei gleichzeitiger Entlastung der Gülle von umweltbelastenden Inhaltsstoffen mit einer Stofführung, die die spezifischen Eigenschaften des Mediums berücksichtigt und eine bezogen auf die eingesetzte organische Substanz hohe Biogasausbeute erreicht.The aim of the invention is the production of biogas from manure or similar substrates while relieving the manure of polluting ingredients with a Stofführung that takes into account the specific properties of the medium and achieved based on the organic substance used high biogas yield.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, mit einer den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten der Gülleinhaltsstoffe angepaßten Stofführung den zu Biogas verwertbaren Anteil der Gülle maximal für die mikrobielle Methanerzeugung zu nutzen und dabei den Ehergieeinsatzfürden Substrat- und Stoffwechsel-Produkt-Transport auf ein Minimum zu senken. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine stoffspezifische Reaktionsführung realisiert wird, die die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des mikrobiellen Abbaus der Gülleinhaltsstoffe berücksichtigt. Die Gülle wird mittels bekannter Vorrichtung m einen ersten Reaktor (stehend) gegeben und unter Nutzung der Schwerkrafteindickung (Sedimentation) im Behälter in eine trockensubstanzreiche, feststoffenthaltene Fraktion und eine feststoffarme bzw. -freie Fraktion während relativ kurzer Verweilzeit getrennt, zur Durchmischung von frischem Substrat und Mikroorganismen werden also natürliche Kontaktierungsvorgänge (Sedimentation, Flotation) genutzt.The invention has as its object, with a material guide adapted to the different rates of degradation of the manure ingredients, to utilize the proportion of manure that can be used for biogas to a maximum for microbial methane production while minimizing the use of heat for substrate and metabolism product transport. According to the invention the object is achieved in that a substance-specific reaction is realized, which takes into account the different rates of microbial degradation of manure ingredients. The manure is by means of a known device m a first reactor (standing) and using the gravitational thickening (sedimentation) in the container in a dry substance-rich, solids-containing fraction and a low-solids or -freight fraction separated during a relatively short residence time, for mixing of fresh substrate and Microorganisms are thus used natural contacting processes (sedimentation, flotation).
Dazu wird die Gülle im unteren Reaktorteil verteilt zudosiert, die feststoffreiche Fraktion am Reaktorboden entnommen und die feststofffreie Komponente kann vom oberen Teil des Reaktors über ein Siphon abfließen. Die Kontaktierung zwischen Mikroorganismen und Substrat kann gegebenenfalls durch Betätigen einer Durchmischungseinrichtung unterstützt werden, deren Intensität aber die natürliche Eindickung nicht verhindern sollte. Die in der flüssigen Phase enthaltenen löslichen Kohlenstoffanteile werden während des Durchströmens im Reaktor von unten nach oben weitgehend abgebaut, während die feststoffreiche Fraktion noch zu Biogas verwertbare Kohlenstoffanteile enthält. Diese eingedickte Fraktion wird in einen zweiten Reaktor gegeben und dort mit einer verhältnismäßig langen Verweilzeit vollständig ausgefault. Dieser zweite Reaktor kann als ideal durchmischter Behälter oder besser wiederum mit einer den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten angepaßten Stofführung betrieben werden, indem die fest.stoffreiche Güllefraktion wahlweise im oberen oder unteren Teil des Reaktors zugegeben, oben die entlastete Flüssigkeit und unten die weitgehend mineralisierte trockensubstanzreiche Fraktion entnommen werden. Durch Dosierung der Entnahme kann die Verweilzeit der Fraktionen an die spezifischen Anforderungen des Substrates angepaßt werden. Bei der Lösung der Aufgabe werden bereits bekannte Elemente anaerober Fermentationstechnologien so modifiziert und weiterentwickelt, daß eine höhere Effizienz des Verfahrens realisiert wird.For this purpose, the slurry is metered distributed in the lower part of the reactor, removed the solids-rich fraction at the bottom of the reactor and the solids-free component can flow from the upper part of the reactor via a siphon. The contacting between microorganisms and substrate may optionally be assisted by operating a mixing device whose intensity should not prevent the natural thickening. The soluble carbon contents contained in the liquid phase are largely degraded during the flow through the reactor from bottom to top, while the high-solids fraction still contains biogas useful carbon contents. This thickened fraction is placed in a second reactor where it is completely digested with a relatively long residence time. This second reactor can be operated as an ideally mixed container or better again with the different degradation rates adapted Stofführung by the fest.stoffreiche slurry fraction optionally added in the upper or lower part of the reactor, above the relieved liquid and below the largely mineralized dry matter-rich fraction , By metering the withdrawal, the residence time of the fractions can be adapted to the specific requirements of the substrate. In the solution of the problem already known elements of anaerobic fermentation technologies are modified and developed so that a higher efficiency of the process is realized.
Der tragende Gedanke der Erfindung ist, eine Erhöhung der Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Substanz bei verringertem Energie- und Bauaufwand zu erreichen und so die Zielstellung nicht nur prinzipiell, sondern auch material- und energiewirtschaftlich und damit ökonomisch akzeptabel zu verwirklichen.The main idea of the invention is to achieve an increase in the biogas yield per ton of organic substance used with reduced energy and construction costs and thus to achieve the objective not only in principle, but also material and energy management and thus economically acceptable.
In den erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Verwertung der Inhaltsstoffe der Gülle durch eine den unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten angepaßte Stofführung. Dazu wird die Gülle während einer im Verhältnis zum zweiten Behälter kurzen Verweilzeit im ersten Behälter in Fraktionen mit höherem und niedrigerem Trockensubstanzgehalt getrennt und gleichzeitig die flüssige Phase ausgefault und kann somit der landwirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden. Die feststoff reiche Fraktion mit höherem Trockensubstanzgehalt wird in einem zweiten Behälter mit einer verhältnismäßig längeren Verweilzeit weitgehend mineralisiertIn the method according to the invention, the utilization of the ingredients of the manure is carried out by a fabric guide adapted to the different rates of degradation. For this purpose, the liquid manure is separated during a short in relation to the second container residence time in the first container in fractions with higher and lower dry matter content and at the same time rotted out the liquid phase and can thus be recycled for agricultural use. The solids rich fraction with higher dry matter content is largely mineralized in a second container with a relatively longer residence time
Der Fermentationsprozeß im ersten Reaktor ist gekennzeichnet durch: The fermentation process in the first reactor is characterized by:
— eine Temperatur von 240C bis 360C, vorzugsweise 330C bis 35°C,A temperature of 24 0 C to 36 0 C, preferably 33 0 C to 35 ° C,
— einen pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5,A pH between 7.0 and 8.5,
— einer Verweilzeit zwischen 7,5 und 12 Tagen- a residence time between 7.5 and 12 days
Der Fermentationsprozeß im zweiten Reaktor ist gekennzeichnet durch:The fermentation process in the second reactor is characterized by:
— eine Temperatur von 24 bis 36°C, vorzugsweise 24°C bis 33°C,A temperature of 24 to 36 ° C, preferably 24 ° C to 33 ° C,
— einen pH-Wert zwischen 7,5 und 8,5- a pH between 7.5 and 8.5
— einer Verweilzeit zwischen 20 und 40 Tagen- a residence time between 20 and 40 days
Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwärtig angewandten Verfahren zur Biogaserzeugung sind:The main advantages of the process over currently used biogas production processes are:
— Erhöhung der Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Substanz und damit Erhöhung der Effizienz des Verfahrens- Increasing the biogas yield per tonne of organic substance used and thus increasing the efficiency of the process
— Erhöhung der Biogasbildungsgeschwindigkeit und damit Verkürzung der Verweilzeit der Gülle im Biogasreaktor (Verringerung der Investitionen für den Reaktorbau)- Increasing the biogas production rate and thus shortening the residence time of the liquid manure in the biogas reactor (reduction of investment in reactor construction)
— Verminderung des Einsatzes an Prozeßenergie zur Umwälzung der Reaktoren- Reduction of the use of process energy for circulating the reactors
Die im Rahmen des Verfahrensbeispiels eingesetzte Gülle entstammt im wesentlichen einer industriemäßigen Schweinezuchtanlage. Die Größenordnung und die Methoden derTierhaltung einschließlich des angewendeten Fütterungsregimes bedingen eine in bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgülle. Die aus den Schweinezuchtanlagen geförderte Gülle ist durch folgende mittlere Stoffkennwerte charakterisierbar:The liquid manure used in the process example essentially comes from an industrial pig breeding plant. The size and the methods of animal husbandry including the applied feeding regime require a consistent within certain limits composition of the raw manure. The liquid manure conveyed from the pig breeding plants can be characterized by the following mean substance characteristics:
TS 33,6 g/l oTS 25,2 g/l CFS 5,3 g/l NK '2,7 g/l NH4 +-N 1,5g/lTS 33.6 g / l OTS 25.2 g / l C FS 5.3 g / l N K '2.7 g / l NH 4 + -N 1.5 g / l
-3- Z4öbi$1-3- Z4öbi $ 1
Die Fermentation verläuft in der ersten Stufe bei einer Temperatur von 33°C bis 350C und einem pH-Wert von 7,8. Die Verweilzeit beträgt 10 Tage, der BSB5-Abbau für die flüssige Phase ca. 90%. Der Trockensubstanzgehalt der feststoffangere.icherten Fraktion beträgt 6 bis 8,5%. 'The fermentation proceeds in the first stage at a temperature of 33 ° C to 35 0 C and a pH of 7.8. The residence time is 10 days, the BOD 5 degradation for the liquid phase about 90%. The dry matter content of the solids-enriched fraction is 6 to 8.5%. '
In der zweiten Stufe verläuft die Fermentation bei einer Temperatur von 30 bis33°Cund einem pH-Wert von 7,9. Die Verweilzeit beträgt 35 Tage. Die spezifische Biogasausbeute beträgt 0,7 m3/kg oTS, was eine Erhöhung der Biogasausbeute gegenüber den als ideal durchmischt betriebenen Behältern um 20% bedeutet.In the second stage, the fermentation proceeds at a temperature of 30 to 33 ° C and a pH of 7.9. The residence time is 35 days. The specific biogas yield is 0.7 m 3 / kg oTS, which means an increase in biogas yield of 20% compared to tanks operated as ideally mixed.
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| DD86287565A DD246531A1 (en) | 1986-03-05 | 1986-03-05 | PROCESS FOR OBTAINING BIOGAS FROM ORGANIC MATERIALS |
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| DD (1) | DD246531A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2072615A2 (en) | 2007-12-19 | 2009-06-24 | Agraferm Technologies AG | Apparatus and process for the conversion into biogas of fermentation stillage arising as a waste product of ethanol production |
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1986
- 1986-03-05 DD DD86287565A patent/DD246531A1/en unknown
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| DE102007061137B4 (en) * | 2007-12-19 | 2011-12-15 | Agraferm Technologies Ag | Apparatus and process for the conversion of fermentation broth resulting from ethanol production as waste product into biogas |
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