DE102010001907A1

DE102010001907A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Produktion von Biogas

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Publication number: DE102010001907A1
Application number: DE102010001907A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 06120 Krüger; Christina 06122 Roder; Thomas Dr.-Ing. 09387 Hubrig; Sylvia 09212 Morgenstern
Original assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und UMWELTTECHNOLOGIEN E V GES; Von Medizin- Bio- und Umwelttechnologien Ev 06120 Gesell zur Forderung; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Current assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und UMWELTTECHNOLOGIEN E V GES; Von Medizin- Bio- und Umwelttechnologien Ev 06120 Gesell zur Forderung; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion von Biogas und gleichzeitiger Metallgewinnung aus Bergbauwässern mittels Mikroalgen. Die Algen werden in einem speziellen Photobioreaktor kultiviert und anschließend in einem Fermenter zu Biogas vergoren. Gegenstand der Erfindung ist auch der spezielle Photobioreaktor und eine Gesamtanlage – zum vorzugsweise Einsatz in Anpassung an die geologische Umgebung – umfassend Photobioreaktor, Biogasfermenter und ggf. BKHW.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion von Biogas und gleichzeitiger Metallgewinnung aus Bergbauwässern mittels Mikroalgen. Die Algen werden in einem speziellen Photobioreaktor kultiviert und anschließend in einem Fermenter zu Biogas vergoren. Gegenstand der Erfindung ist auch der spezielle Photobioreaktor und eine Gesamtanlage – zum vorzugsweise Einsatz in Anpassung an die geologische Umgebung – umfassend Photobioreaktor, Biogasfermenter und ggf. BKHW.
Die Gewinnung von Biogas ist ein sensibler Prozess. Land- und Wasserpflanzen, pflanzliche und tierische Rückstände sowie organische Abfälle lassen sich als Biomasse vielfältig energetisch nutzen. Energie aus Biomasse bietet einige Vorteile, z. B. die Schonung von knappen fossilen Vorräten oder der Treibhauseffekt wird durch einen nahezu geschlossenen CO₂-Kreislauf nicht verstärkt.
Algen liefern bekanntermaßen hochwertige Biomasse. In Ländern mit einer ausreichenden Sonneneinstrahlung erfolgt die Kultivierung von Algen durch offene Systeme. Die einfachste Form ist der Raceway-Pond. Technisch aufwendiger, aber durch bessere Lichtversorgung und Gasaustausch gekennzeichnet, sind Inclined-Surface-Systeme. Sie umfassen eine oder mehrere schiefe Ebenen mit 3-5° Neigungswinkel, über die entlang des Gefälles ein dünner Flüssigkeitsfilm von ca. 3 cm Schichtdicke entsteht. Nach Passieren der Fläche wird die Flüssigkeit gesammelt und dem System durch eine Pumpe erneut vom höchsten Punkt aus zugeführt. Nachts werden die Algen häufig in belüfteten Tanks oder Becken aufbewahrt. Auf den Ebenen angebrachte Strömungshindernisse (statische Mischer wie z. B. Strombrecher) sorgen für zusätzliche Turbulenz, um das Immobilisieren der Algen zu verhindern und eine optimale Lichtversorgung zu gewährleisten. Dafür geeignet sind auch verschiedene Strukturen des Reaktormaterials und Begasungseinrichtungen mit entsprechender Begasungsrate.
Die Kopplung von Vorrichtungen zur Biomasseproduktion (z. B. Photobioreaktoren für die Kultivierung von Algen) mit Biogasanlagen ist an sich bekannt. Zum Beispiel wird in DE 10 2007 007 131 A1 ein Verfahren beschrieben, wonach das entstandene CO₂ und die Abwärme einer Biogasanlage zur Produktion von Biomasse genutzt wird. Diese wird dann wiederum zur Erzeugung von Biogas eingesetzt.
Eine Kombination aus Photobioreaktor und Biogasanlage jedoch mit dem Ziel der Bioöl-Gewinnung beschreibt auch EP 1 995 304 A1 . Die Algen zur Bioöl-Produktion wachsen im Reaktor und werden durch die Biogasanlage mit CO₂ und Abwärme versorgt.
DE 10 2005 010 865 A1 beschreibt ein Verfahren zur biologischen Gasaufbereitung, welches zunächst das Waschen des Gases mittels einer Suspension von Mikroorganismen umfasst. Das in dem Gas enthaltene CO₂ löst sich teilweise und das Gemisch wird in einen teilweise offenen Photobioreaktor überführt. Dort wird das CO₂ teilweise photosynthetisch fixiert und der dabei entstehende Sauerstoff an die Umgebung abgegeben.
In den herkömmlichen Reaktorsystemen mit glatten Wänden wird jedoch das Algenwachstum durch die Biofilmbildung behindert. Ursachen sind eingeschränkte Lichtverhältnisse und die Kontamination der Biofilme durch Bakterien, Pilze, Hefen usw. Methoden zur Unterdrückung der Biofilmbildung, wie der Einsatz von kugelartigen Systemen sind genauso kostenintensiv wie Verfahren zur Biofilmentfernung.
Bekanntermaßen ist die Belastung von Oberflächen- und Grundwasser mit Schwermetallen durch Ab-, aber auch Sickerwasser aus Bergbauhalden eine generelle Begleit- und Folgeerscheinung des Bergbaus. Die enthaltenen Metalle liegen in so geringen Konzentrationen vor, dass deren Gewinnung gegenwärtig insbesondere in asiatischen, afrikanischen und südamerikanischen Ländern nicht erfolgt, aus Gründen des Umweltschutzes oder auch einer Weiterverwertung aber wünschenswert ist.
Neben der Verwendung von Algen zur Produktion hochwertiger Biomasse besitzen verschiedene Mikro- und Makroalgen auch die Fähigkeit, Metalle zu binden. KR 10073264 B1 beschreibt z. B. die Cu- und Ni-Entfernung aus Abwasser durch Chl. vulgaris, Chl. pyrenoidosa, und Chi. ellipsiodea, wobei tote Algenbiomasse mit gering konzentriertem Abwasser gemischt wird. DE 69824830 T2 beschreibt ein körniges Trägermedium, welches mit einem Biofilm (z. B. Algen, Bakterien) bewachsen ist. Die Metalle aus Wässern werden an die Biomasse sorbiert, welche teilweise entfernt und wiederaufbereitet werden kann.
Die aktive oder passive Sorption von Metallen aus wässrigen Medien an Algenbiomasse ist zwar Stand der Technik, jedoch sind diese Verfahren bisher nicht in technische Anwendungen integrierbar.
Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, einerseits kostengünstig Metalle aus Bergbauwässern zu gewinnen und andererseits Umweltbelastungen zu vermeiden. Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, die die kostengünstige Gewinnung von Metallen aus Bergbauwässern unter Bereitstellung einer hochwertigen Biomasse gewährleisten, wobei die Biomasse weiterhin zur Produktion von Biogas verwendet werden kann, und wobei durch eine nahezu geschlossene Kreislaufführung hinsichtlich Kohlendioxid- und Energiebilanz eine Reduzierung von Umweltbelastungen bewirkt werden soll.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion von Biogas unter Verwendung von Mikroalgen gelöst. Als Mikroalgen werden bevorzugt solche eingesetzt, die eine hohe Bindungsaffinität zu Schwermetallen besitzen. Die einzusetzenden Mikroalgen werden in Abhängigkeit der vorhandenen Metalle ausgewählt. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Mikroalgen mit unverdünntem oder verdünntem metallhaltigen Bergbauwasser in einem speziellen Strukturrohr-Photobioreaktor kultiviert und danach konzentriert. Anschließend wird die konzentrierte Algenbiomasse mit dem unverdünnten oder verdünnten Bergbauwasser versetzt, wobei die Metalle aus den Wässern an die Algen sorbieren. Das Bergbauwasser fungiert als Nährstoffquelle für die Algen im Photobioreaktor. Gegebenenfalls werden weitere Nährsalze zugegeben. Um ein Absterben der Algen auszuschließen wird das Bergbauwasser gegebenenfalls stark verdünnt zur Algenkultivierung eingesetzt. Nach der Konzentrierung können die Algen dem unverdünnten Bergbauwasser ausgesetzt werden.
Die metallhaltige Biomasse wird dann zur Biogasproduktion weiter verwendet. Sollte Quecksilber in den Wässern vorhanden sein, muss dieses aus der entstandenen metallhaltigen Biomasse vor einer weiteren Umsetzung zu Biogas abgetrennt werden. Nach dem Vergären der metallhaltigen Algenbiomasse in einem Fermenter zu Biogas werden die Metalle aus der Biomasse gewonnen. Gegebenenfalls können auch vor der Biogasproduktion alle Metalle aus der Biomasse entfernt werden.
Bergbauwasser im Sinne der Erfindung sind Bergbauabwässer, aber auch Sickerwasser aus Bergbauhalden.
Die Metallkonzentration des Bergbauwassers wird gegebenenfalls regelmäßig geprüft. Um eine toxische Reaktion auf die Algen während der Kultivierung zu vermeiden, können die Wässer z. B. durch die Zugabe von Oberflächen- und/oder Regenwasser oder auch im Kreislauf geführtem Prozesswasser verdünnt werden. Im Vergleich zu konventionellen photobiologischen Verfahren können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch mineralische Gegebenheiten vor Ort für die Kultivierung der Algenbiomasse berücksichtigt werden. So kann z. B. aufgestautes Regenwasser mit Oberflächenwässern und den Bergbauwässern so gemischt werden, dass die vorhandenen Mineralstoffe und Spurenelemente zur Kultivierung zwar genutzt – toxische Einflüsse durch Verdünnung der Metallkonzentrationen aber ausgeschlossen werden.
Die Abtrennung der gewachsenen Biomasse im Photobioreaktor erfolgt vorteilhafter weise kontinuierlich oder quasikontinuierlich. Die Algen-Biomasse wird durch verschiedene Verfahren, z. B. Sedimentation, Zentrifugation, Trocknung oder Flockung konzentriert und als konzentrierte Suspension oder als Feststoff (Algentrockenmasse) weiter mit dem unverdünnten oder gegebenenfalls verdünnten metallhaltigen Bergbauwässern versetzt. Durch aktive oder passive Sorption der Metalle an die Algen können diese aus den Wässern entfernt werden. Bevorzugt werden jedoch im erfindungsgemäßen Verfahren Algenarten eingesetzt, die für die passive Sorption geeignet sind. Die passive Sorption Ist von Vorteil, da sie innerhalb von Minuten erfolgt, reversibel ist und unabhängig von Temperatur und Zellstoffwechsel abläuft. Das bedeutet, auch ruhende oder tote Zellen gewährleisten eine Sorption. Aus diesem Grund kann das Bergbauwasser problemlos unverdünnt zugegeben werden, auch wenn es die Metalle in Konzentrationen enthält, die toxisch für die Algen sein können.
Die metallhaltige Algenbiomasse wird anschließend in einen Gärtank gegeben, in welchem sie zu Biogas vergoren wird. Das produzierte Biogas kann vor Ort im Bergwerksgelände gelagert oder einem BHKW zugeführt und hauptsächlich in Elektroenergie umgewandelt werden. Das Verfahren kann im Kreislauf geführt werden, so kann die gewonnene Energie auch zur Algenkultivierung (z. B. für Rührwerke, Zusatzbeleuchtung, zum Betreiben von Pumpensystemen) eingesetzt werden. Das bei der Biogasverbrennung frei gesetzte Kohlendioxid wird z. B. als Kohlenstoffquelle für die Algen verwendet und die entstandene Abwärme u. a. zur Temperierung.
Eine Rückgewinnung der Metalle vor der Biogasgewinnung kann auf chemischen oder thermischen Weg erfolgen. Die Metallrückgewinnung wird bei einer Biosorption klassisch durch pH-Wertabsenkung oder Verbrennung der Sorptionsmatrix erzielt.
Nach der Biogaserzeugung mit metallhaltiger Algenbiomasse werden die im Gärrest vorhandenen Metallsulfide durch Luftsauerstoff zu löslichem Sulfat überführt.
Das Verfahren hat den großen Vorteil, dass die konzentrierte Algenbiomasse einerseits als Sorptionsmittel für die Metallgewinnung eingesetzt wird und die metallbeladene Biomasse andererseits dann als Substrat für die Biogasgewinnung dient. Die Algenbiomasse verfügt über ein vergleichsweise hohes Biogaspotential, besonders wenn der Fettanteil der Algen sehr hoch ist. Wie schon ausgeführt, ist entsprechend der Art und Menge der an der Algenbiomasse gebundenen Metalle zu entscheiden, ob eine Abtrennung der Metalle vor dem Biogasprozess notwendig ist. Liegen Quecksilberkontaminationen vor, muss das sorbierte Metall vor einer Biogasverwertung von der zu fermentierenden Biomasse abgetrennt werden. Kann die Anwesenheit von Quecksilber ausgeschlossen werden und die Metallkonzentration in der zu fermentierenden Algenbiomasse wirkt auf die Anaerobkulturen nicht toxisch, wird eine Metallabtrennung nach der Biogasverwertung durchgeführt. Sollte die Konzentration der Metalle zu hoch sein, kann diese über die Zugabe von Co-Substraten (z. B. vor Ort anfallende Grünschnitte, Speiseabfälle usw.) in einen nichttoxischen Bereich geregelt werden.
Das erzeugte Biogas muss in der Regel vor einer Verwertung entschwefelt werden. Das kann direkt oder indirekt erfolgen. Zur Entschwefelung werden entweder Metallsalze (z. B. Eisenverbindungen) in den Fermenter dosiert (indirekte Entschwefelung) oder das Gas wird bereits mit Hilfe der an die Algen sorbierten Metalle direkt aufbereitet. Als Alternative erfolgt eine biologische Entschwefelung oder eine Kombination der Verfahren.
Eine weitere Variante besteht darin, in Abhängigkeit vom H₂S-Gehalt der metallhaltigen Algenbiomasse ggf. weitere Metallsalze gezielt zuzusetzen – vorzugsweise Eisensalze (z. B. Eisen-II-chlorid).
Erfindungsgemäß findet die Kultivierung der Mikroalgen in einem speziellen Photobioreaktor statt. Neben Sonnenlicht und CO₂ benötigen die Algen lediglich anorganische Nährstoffe, die sie hauptsächlich aus den Bergbauwässern erhalten, wodurch die Nährstoffversorgung der Algen gewährleistet wird.
Da nur ein dünner Flüssigkeitsfilm erzeugt werden soll (dies ist auch für die optimale Beleuchtung der Algen wichtig), werden Mikroalgen verwendet. Die einzusetzenden Mikroalgen werden in Abhängigkeit der vorhandenen Metalle ausgewählt und gezielt eingesetzt. Aber auch Temperaturmaxima, Wachstumsgeschwindigkeit und Fettgehalt fließen mehr oder minder stark in die Auswahl ein.

Zum Beispiel können folgende Mikroalgen Verwendung finden:

Alge	Schwermetall
Chlorella vulgaris	Cu, Zn, Mn, Cd, Ni
Spirulina sp.	Mn, Cd, Cr, Cu
Scenedesmus sp.	Cu, Cd, Ni
Palmaria palmata	Pb, Cd, Cu, Ni
Lyngbya taylorii	Pb, Cu, Ni, Zn, Cd
Euglena gracilis	Cd, Zn, Pb
Oscillatoria sp.	Zn, Cu, Pb, Mn
Stichococcus sp.	Cd, Pb
Stigeoclonium sp.	Zn
Cosmarium sp.	Pb
Microspora sp.	Pb, Ni

Ihre Kultivierung erfolgt in einem speziellen Strukturrohr-Photobioreaktor. Rohrreaktoren sind im Prinzip bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Rohrsystem, das senkrecht oder waagerecht angeordnet werden kann. Die oftmals sehr langen Rohre bestehen aus Glas oder klarem Kunststoff (z. B. PVC, PMMA). Das Reaktorfluid mit den sich darin befindenden Algen wird dabei konstant durch das Röhrensystem gepumpt.
Erfindungsgemäß wird nun ein Strukturrohr-Photobioreaktor mit speziell strukturierten und angeordneten Rohren verwendet. Strukturrohre ( ) sind Rohre mit speziell geformten Wänden. Für die Umformung können die auf dem Markt verfügbaren Standardrohre eingesetzt werden. Die Oberflächenform der Rohre wird an die angestrebten Eigenschaften wie beispielsweise die Erhöhung der Wärme- und Stoffübertragung angepasst. Die Strukturierung beeinflusst die äußere und innere Strömung und sie dient der Verhinderung einer Biofilmbildung. In den Kombinationsmöglichkeiten der unterschiedlichen Eigenschaften können die Strukturrohre den Anforderungen angepasst werden. Strukturierungen im Sinne der Erfindung erfolgen deshalb z. B. wie folgt: Durch sich wiederholende Ein- und/oder Ausstülpungen der Rohrwand werden die Strukturierungen wie in gezeigt, erzielt.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch ein Strukturrohr-Photobioreaktor ( ) zur Algenkultivierung. Der erfindungsgemäß verwendete Strukturrohrbioreaktor ist durch eine mäanderförmige Auslegung von zum Auffangbecken geneigten Strukturrohren gekennzeichnet. Diese geneigte Auslegung für die Kultivierung der Algen mit einem bevorzugten Neigungswinkel von 3 bis 12°, besonders bevorzugt von 5 bis 9°, gestattet optimale Lichtverhältnisse und optimale Wasserversorgung. Ein turbulenter Fluss der Algensuspension wird durch die Fließgeschwindigkeit und zusätzlich noch durch Struktur der Oberfläche, Dicke der Suspensionsschicht, die Neigung der Oberfläche und den CO₂-Eintrag ermöglicht. Die Suspension wird am tiefsten Punkt gesammelt und durch eine Pumpe wieder dem Höchsten zugeführt. Den örtlichen Gegebenheiten angepasst, kann der Reaktor mit leichtem Neigungswinkel mäanderförmig z. B. einen Berghang hinabführen. Alternativ kann der Reaktor auch als strukturierter Flachbettreaktor ausgestaltet werden.
Vorzugsweise wird die erforderliche Biomasse vor Ort im Bergbaugelände in dem geschlossenen, aber nicht sterilen Strukturrohrbioreaktor ( ) kultiviert. Die lichtdurchlässigen Wände des Reaktors (der Rohre) sind bevorzugt aus Kunststoff. An der dem Boden – bzw. Berg zugewandten Seite soll der Reaktor einen Wärmeaustauscher enthalten. Je nach Standort ist der Boden oder eine dem Berg zugewandte Seite deshalb nicht aus einem lichtdurchlässigen Material sondern z. B. aus Metall. In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die spezifischen Bedingungen der Bergbauregion wie z. B. Lichtverhältnisse, Wasserversorgung und geologisches Profil erfasst und für die Entwicklung des Photoreaktorsystems berücksichtigt.
Durch die in dem erfindungsgemäßen Reaktorsystem strukturierten Oberflächen können die Algen optimal mit Licht versorgt werden, eine Biofilmbildung wird verhindert und es kann keine Schädigung durch zu hohe Scherkräfte erfolgen.
In einer abgestimmten Wechselkultivierung im Hell-Dunkel-Zyklus werden die Algen so kultiviert, dass die gesamte Reaktorgeometrie optimal ausgelastet wird. Die natürliche Lichtversorgung wird durch künstliche Beleuchtung bedarfsgerecht so ergänzt, dass das Algenwachstum nicht durch eine Lichtunterversorgung limitiert ist.
Eine weitere Verfahrensweise zur optimalen Reaktorauslastung ist die Parallelkultivierung einer Algenart im zeitlich versetzten Hell-Dunkel-Zyklus (optimal: 12 h–12 h) oder die Kultivierung mindestens zweier verschiedener Algenarten in diesem Rhythmus. Dabei wird darauf geachtet, dass beide eine ähnliche Wachstumsrate besitzen, da die Kultivierung nicht unter sterilen Bedingungen abläuft. Durch Zusatzbeleuchtung kann auch nachts ein Kultivierung erfolgen.
Die „ruhende” Algenart wird z. B. in einem belüfteten Tank gerührt und bei hoher Zelldichte einem Sedimentationstank zur Konzentrierung zugeführt bzw. bei geringerer Zelldichte wieder in den Photobioreaktor zurückgeleitet.
Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zur Biogaserzeugung unter Verwendung von Mikroalgen ( ).
Sie ist gekennzeichnet durch einen Tank für Bergbauabwasser 1, einen Tank für Regen- oder Oberflächenwasser 2, einen Toxizitätssensor 3, einen Strukturrohr-Photobioreaktor 4 mit Auffangbecken 5 zur Kultivierung von Mikroalgen, zwei Ruhetanks 6, einen Sedimentationstank 7, einer Sorptionsstufe 8, einen Tank zur Metallrückgewinnung 9, einen Biogasfermenter 10 und ein BHKW 11 sowie diverse Zu- und Ableitungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den großen Vorteil, dass eine hochwertige Algenbiomasse gleichzeitig als Sorptionsmittel und zur Biogasproduktion verwendet werden kann. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass aufgrund des Metallgehaltes der Biomasse gleichzeitig eine direkte oder indirekte Entschwefelung des Biogases erfolgen kann. Zusätzliche Aufbereitungen können dadurch vermieden werden. Die Metallbelastung der Bergbauwässer wird reduziert und die Metalle können zurück gewonnen werden. Die Möglichkeit der Mehrfachkultivierung (Tag-Nacht-Rhythmus) gewährleistet eine optimale Reaktorauslastung. Biogas, Abwärme und Elektroenergie werden nahezu 100%-ig verwertet. Eine gasdichte Bauweise ermöglicht die Versorgung der Algen mit CO₂ aus dem Abgas der BHKW-Anlage und/oder des entschwefelten Biogases, welches dadurch auch eine Abtrennung der störenden und qualitätsmindernden Gase erfährt. Außerdem können die geologischen Gegebenheiten der Bergbauregion genutzt werden.
Ausführungsbeispiel
Beispiel 1
Darstellung einer Anlage mit BHKW
Strukturrohre
Strukturrohr-Photobioreaktor mit Auffangbecken
Anlage zur Biogasproduktion
Bezugszeichenliste
Die Anlage zur Biogaserzeugung unter Verwendung von Mikroalgen ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Tank mit Bergbauwasser 1 aufweist, der über eine Zuleitung mit einem Auffangbecken 5 eines Strukturrohrphotobioreaktor 4 mit integrierter Pumpe zur Kultivierung von Mikroalgen verbunden ist. Ein Tank für Regen- und/oder Oberflächenwasser 2 ist ebenfalls mit dem Auffangbecken 5 des Strukturrohrphotobioreaktors 4 verbunden. Dabei ist ein Toxizitätssensor 3 zwischengeschaltet. Eine Zuleitung aus dem Auffangbecken 5 führt zu einem Sedimentationstank 7, eine weitere Zuleitung führt aus dem Auffangbecken 5 zu zwei Ruhetanks 6, die dann weiter mit dem Sedimentationstank 7 verbunden sind. An den Sedimentationstank 7 schließt sich eine Sorptionsstufe 8 an, zu dem auch eine Zuleitung aus dem Tank mit Bergbauwasser 1 führt, eine weitere Zuleitung führt über einen Tank zur Metallrückgewinnung 9 zu einem Biogasfermenter 10.
Der Tank zur Metallrückgewinnung 9 kann so angeordnet sein, dass die Zuleitung aus dem Sorptionsbecken 8 direkt zum Fermenter 10 führt und sich der Tank zur Metallgewinnung 9 erst an den Fermenter 10 anschließt. Eine weitere Zuleitung aus dem Biogasfermenter 10 führt zum BHKW 11.
Die Mikroalgen werden in dem Strukturrohrphotobioreaktor 4 mit Auffangbecken 5 unter Zugabe von Bergbauwässern aus dem Tank 1 kultiviert. Über den Toxizitätssensor 3 wird die Metallkonzentration bestimmt. Sollte diese zu toxisch für die Mikroalgen sein, wird Regen- und/oder Oberflächenwasser aus dem Tank 2 des Strukturrohr-Photobioreaktors 4 zugeführt. Die kultivierte Algenbiomasse in dem Bioreaktor 4 wird aus dem Auffangbecken 5 in den Tank 7 zur Anreicherung überführt. Bei Anwendung der Parallelkultivierung kann eine Kultur in den Ruhetanks 6 zwischengelagert werden. Konzentrierte Biomasse wird in eine Sorptionsstufe 8 überführt, der weiteres, in der Regel unverdünntes, metallhaltiges Bergbauabwasser aus dem Tank 1 zugesetzt wird. Aus der Sorptionsstufe 8 wird, nachdem die Metalle an die Biomasse sorbiert sind, die metallhaltige Biomasse in den Fermenter 10 überführt. Das Metall wird in dem Behälter 9 durch pH-Wertänderung abgetrennt und das aufbereite Biogas G kann z. B. unter Nutzung der geologischen Gegebenheiten gespeichert und/oder bedarfsgerecht in einem BHKW 11 verwertet werden. Der erzeugte Strom E kann beispielsweise auch für die künstliche Beleuchtung und Antriebe der Förderaggregate genutzt werden. Die anfallende Abwärme D wird für die Temperierung der Photobioreaktoren 4 und der Biogasanlage 9, 10, sowie für die Konzentrierung der Algenbiomasse im Tank 7 genutzt. Erforderliche Kälteenergie wird aus dem Grundwasser oder einer Absorptionskälte, die mit dem BHKW kombiniert ist, erzeugt. Entstandenes CO₂ F kann der Algenkultivierung zugeführt werden.
Beispiel 2
Biogasproduktion unter Verwendung einer eisenbeladenen Spirulina-Biomasse
1 g TS Spirulina, die 0,3 mmol Fe aufnehmen kann (dies sind umgerechnet 16,755 g Fe/kg TS)) wird in leichtem Überschuss dem Fermenter zugegeben (man benötigt ca. 16,755 g Fe für die Entschwefelung von 10,5 g H₂S).
Aus 1 kg TS von Spirulina können rund 0,4 m³ Biogas gewonnen werden. Das produzierte Biogas enthält ca. 1 g H₂S/m³ Biogas.
Zur Erzeugung von 1 m³ entschwefeltem Biogas werden 2,6 kg TS Spirulina eingesetzt, wobei mindestens 0,1 kg TS Spirulina mit 16,5 g gebundenem Eisen enthalten sein muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007007131 A1 [0004]
EP 1995304 A1 [0005]
DE 102005010865 A1 [0006]
KR 10073264 B1 [0009]
DE 69824830 T2 [0009]

Claims

Verfahren zur Biogaserzeugung unter Verwendung von Mikroalgen, dadurch gekennzeichnet, dass a) Mikroalgen mit metallhaltigem Bergbauwasser als Nährstoffquelle in einem Photobioreaktor kultiviert werden, b) die Algenbiomasse konzentriert und mit dem metallhaltigen Bergbauwasser versetzt wird, wobei die Metalle aus dem Wasser an die Algenbiomasse sorbieren, c) gegebenenfalls vorhandenes Quecksilber aus der entstandenen metallhaltigen Biomasse abgetrennt wird, d) die metallhaltige Biomasse in einem Fermenter zu Biogas vergoren wird und e) die Metalle aus der Biomasse gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikroalgen mit hoher Bindungsaffinität zu Schwermetallen kultiviert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kultivierung der Mikroalgen die Bergbauwässer durch Zugabe von Regen-, Oberflächen- und/oder Prozesswasser verdünnt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kultivierung als Parallelkultivierung einer Algenart in einem zeitlich versetzten Hell-Dunkel-Zyklus erfolgt, oder mindestens zwei Algenarten, die eine ähnliche Wachstumsrate besitzen, in diesem Hell-Dunkel-Rhythmus kultiviert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallhaltigen Biomasse vor der Vergärung zu Biogas im Schritt d) zur Absenkung der Metallkonzentration in einen nichttoxischen Bereich Co-Substrate zugesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Biomasse zur direkten oder indirekten Entschwefelung des Biogases genutzt wird, wobei in Abhängigkeit der H₂S-Konzentration der Biomasse während der Biomasse-Konzentration in Schritt b) oder während der Fermentation in Schritt d) geeignete Metallsalze zugesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kultivierung der Algenbiomasse ein strukturierter Photobioreaktor verwendet wird, der ein System von zum Auffangbecken geneigten, mäanderförmig angeordneten Strukturrohren oder strukturierten Ebenen aufweist, deren Neigungswinkel vorzugsweise zwischen 3 und 12° liegt.
Strukturrohr-Photobioreaktor (4) mit Auffangbecken (5) zur Kultivierung von Mikroalgenbiomasse umfassend ein lichtdurchlässiges, mäanderförmig angeordnetes, zum Auffangbecken (5) geneigtes Strukturrohrsystem.
Strukturrohr-Photobioreaktor (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der mäanderförmig angeordneten Strukturrohre zwischen 3 und 12° liegt.
Anlage zur Biogaserzeugung unter Verwendung von Mikroalgen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Tank mit Bergbauwasser (1) aufweist, der über eine Zuleitung mit einem Auffangbecken (5) eines Strukturrohrphotobioreaktor (4) mit integrierter Pumpe zur Kultivierung von Mikroalgen verbunden ist, ein Tank für Regen- und/oder Oberflächenwasser (2) ebenfalls mit dem Auffangbecken (5) des Strukturrohrphotobioreaktors (4) verbunden ist, wobei ein Toxizitätssensor (3) zwischengeschaltet ist, eine Zuleitung aus dem Auffangbecken (5) zu einem Sedimentationstank (7) führt, eine weitere Zuleitung aus dem Auffangbecken (5) zu zwei Ruhetanks (6) führt, der dann werter mit dem Sedimentationstank (7) verbunden ist, sich an den Sedimentationstank (7) eine Sorptionsstufe (8) anschließt, zu der auch eine Zuleitung aus dem Tank mit Bergbauwasser (1) führt, eine weitere Zuleitung über einen Tank zur Metallrückgewinnung (9) zu einem Biogasfermenter (10) führt, wobei der Tank zur Metallrückgewinnung (9) so angeordnet sein kann, dass die Zuleitung aus dem Sorptionsbecken (8) direkt zum Fermenter (10) führt und sich der Tank zur Metallgewinnung (9) erst an den Fermenter (10) anschließt, eine weitere Zuleitung aus dem Biogasfermenter (10) zum BHKW (11) führt.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Leitungen vorhanden sind, die den gewonnenen Strom (E) zur Beleuchtung und zu den Antrieben der Förderaggregate führen, die die anfallende Abwärme (D) zum Bioreaktor (4), der Biogasanlage (9, 10) sowie zum Sedimentationstank (7) transportieren und die das entstandene CO₂ (F) zum Reaktor (4) führen.