DE10306988A1

DE10306988A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Biomasse

Info

Publication number: DE10306988A1
Application number: DE2003106988
Authority: DE
Inventors: Karl Lechner
Original assignee: Mhs Internat & Co KG GmbH; Mhs International & Co KG GmbH
Current assignee: Mhs Internat & Co KG GmbH; Mhs International & Co KG GmbH
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: DE10306988B4

Abstract

In einem Verfahren zur Vergärung von Biomasse unter Gewinnung von Biogas, bei dem die Zufuhr von Biomasse zu einem Fermentationsraum und die Entnahme von Biogas und Restsubstrat in kontinuierlichem Berieb erfolgen kann, erfolgt die Fermentation in einem drehbaren Fermentationsbehälter. In der Biomasse-Vergärungsvorrichtung ist neben dem drehbar gelagerten Fermentationsbehälter eine Zufuhreinrichtung zum Zuführen von fermentierbarer Biomasse zu dem Fermentationsraum, eine Entnahmeeinrichtung zum Entnehmen von fermentiertem Substrat und eine Entnahmeeinrichtung zum Entnehmen von Biogas untergebracht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergärung von Biomasse unter Gewinnung von Biogas, bei dem die Zufuhr von Biomasse zu einem Fermentationsraum und die Entnahme von Biogas und Restsubstrat in kontinuierlichem Betrieb erfolgen kann, sowie auf eine Vorrichtung hierfür.

Als Verfahren zur Vergärung von Biomasse wie organischen Abfällen, Biomüll oder landwirtschaftlicher Produkte zur Gewinnung von Biogas – hauptsächlich Methan – ist die Naßvergärung und die Trockenvergärung bekannt. Die Naßvergärung erlaubt zwar eine relativ hohe Energieausbeute. Jedoch muß das Biomasse-Eintragsmaterial pumpfähig sein und darf somit einen Trokkensubstanzgehalt von etwa 15 Gew.-% in der Regel nicht übersteigen. Viele Biomüllsorten, die einen höheren Trockensubstanzgehalt aufweisen, sind daher mit Wasser zu verdünnen. Dazu müssen große Volumina gehandhabt werden. Je nach Jahreszeit ist eine Zwischenlagerung erforderlich. Außerdem ist in der Regel eine Sortierung zur Abtrennung von nicht verwertbarem Müllmaterial erforderlich, um die Pumpfähigkeit des Materials sicherzustellen. Die Behandlungskosten bei der Naßvergärung sind somit relativ hoch.

Alternativ zur Naßvergärung sind in den vergangenen Jahren Trockenvergärungsverfahren und -anlagen entwickelt worden (s. Übersicht in energiepflanzen III/2001, S. 19 – 20). Die meisten der Anlagen zur Trockenfermentation laufen diskontinuierlich im Batchbetrieb ab. Der Nachteil von Batchverfahren ist die Sicherheitsproblematik beim Öffnen des Fermenters nach der Vergärungsphase. Durch den Restbestand an Methangas und ggf. Wasserstoff im Fermenter besteht bei der Entleerung durch Radlader Entzündungs- bzw. Explosionsgefahr. Dieses Problem versucht man durch eine elektronisch gesteuerte Zwangführung (Absaugen des Methangases bis unter 5% Gehalt, Führung der Abgase durch einen Biofilter, wonach erst dann die Öffnung des Fermenters möglich ist). Dadurch geht Zeit verloren, und die Zwangsführung ist teuer. Außerdem beschreibt, die Gasproduktion grafisch eine Parabelkurve (zeitverzögerter Beginn der Gasproduktion, dann kontinuierliche Zunahme bis zu einem Maximum, dann kontinuierliche Abnahme). Dies ist für den Betrieb eines Blockheizkraftwerks, an das das Biogas geliefert wird, nicht gut und kann kaum durch eine Zwischengassammlung in einem Gasdruckbehälter verbessert werden.

Eine Vorrichtung zur Vergärung von Biomasse in einem kontinuierlich bzw. semi-kontinuierlich arbeitenden Gleitschicht-Fermenter ist aus der DE 299 02 143 U1 bekannt. Eine Weiterentwicklung des Gleitschicht-Fermenters zur gleichzeitigen Fermentation flüssiger und fester Biomassen in drei Schichten durch Einsatz einer Stauwand ist in der DE 101 28 343 A1 beschrieben.

Wie in der oben genannten Übersicht beschrieben läuft in einem weiteren System zur Trockenvergärung das Verfahren im liegenden Propfenstromfermenter ab, wobei Rührwerksantriebe für die Durchmischung der Biomasse sorgen. In einer Variante wird die Biomasse kontinuierlich mit Schubböden durch den Fermenter bewegt.

Bisherige Verfahren und Anlagen, die für einen kontinuierlichen Trockenvergärungsbetrieb konzipiert sind, sind jedoch wegen der verwendeten Mechanik häufig energieaufwendig, kompliziert und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Vergärung von Biomasse unter Gewinnung von Biogas bereitzustellen, welches bzw. welche für einen kontinuierlichen Betrieb sowie zur Trockenfermentation geeignet ist und mit einfacher Mechanik bei geringem Eigenenergieverbrauch automatisierbar arbeitet.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 sowie einen Fermentationsbehälter gemäß Anspruch 27 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch den drehbaren bzw. drehbar gehagerten Fermentationsbehälter wird ein effizienter kontinuierlicher Betrieb ermöglicht, der für die Trockenfermentation besonders geeignet ist. Die Drehung bewirkt gleichzeitig eine Wendung und eine Vorwärtsbewegung der dem Fermentationsbehälter zugeführten Biomasse, ohne daß es einer aufwendigen Mechanik bedarf. Darüber hinaus führt der Betrieb des drehbaren Fermentationsbehälters zu einer günstigen Umwälzung von Mikroorganismen-haltigem Medium (Perkolat) und dessen Durchmischung mit der Biomasse. Der sich drehende Fermentationsbehälter erlaubt ferner einen vollautomatischen Betrieb mit kontinuierlicher Gasproduktion und trägt, da ein vollständig oder weitgehend geschlossenes System ermöglicht wird, der Sicherheitsproblematik Rechnung. Der drehbare Fermentationsbehälter gestattet darüber hinaus Verfahrensausführungen mit geringem Eigenenergieverbrauch, was in Kombination mit der durch die Durchmischung und Umwälzung erzielten hohen Gasausbeute zu einem insgesamt ausgezeichneten Nettoenergieertrag führt.

Weitere Vorteile, Wirkungen und bevorzugte Weiterentwicklungen des Verfahrens, der Vorrichtung sowie des Fermentationsbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Fermentationsbehälter auf einer Flüssigkeit schwimmend, ggf. in einer Flüssigkeit schwebend, gelagert. Dies wird geeigneterweise dadurch realisiert, daß die Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbecken vorliegt und der Fermentationsbehälter schwebend und vorzugsweise schwimmend in die Flüssigkeit eintaucht. Bei dieser Ausgestaltung läßt sich mit Hilfe der Auftriebskraft der verdrängten Flüssigkeit der Fermentationsbehälter einfach, leicht und mit wenig Energieverbrauch drehen, während gleichzeitig eine im wesentlichen belastungsfreie Lagerung erreicht wird. Die Bereitstellung der Flüssigkeit in Kontakt mit dem Fermentationsbehälter bietet zudem die Vorteile, daß sie einen durch die Fermentationswärme gespeisten Wärmespeicher bildet und daß sie eine leicht steuerbare Temperierung des Systems ermöglicht. Es wird eine weitgehend homogene Temperaturverteilung im Fermentationsbehälter erreicht, und eine gewünschte Temperatureinstellung kann einfach und genau über die Temperierung der Flüssigkeit erfolgen. So ist je nach Bedarf und Wunsch ein psychrophiles (bis 20°C), ein mesophiles (34 – 40°C, insbesondere 36 – 37°C) und ein thermophiles (53 – 57°C, insbesondere um 55°C) Temperaturniveau als jeweiliges Temperaturoptimum der Vergärung einstellbar. Auch ein Wechsel oder eine Kombination der genannten Temperaturniveaus ist durch Bereitstellung der Schwimmflüssigkeit leicht realisierbar. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise Wasser.

Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann der Fermentationsbehälter drehbar auf mindestens einer Walze oder mindestens einer Rolle gelagert sein. Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, daß ein kontinuierlicher Vortrieb und gleichzeitig eine gute Wendung und Durchmischung des im Fermentationsbehälter befindlichen Materials ohne die Einrichtung von Rührwerken oder ähnlichen mechanischen Verschleißteilen im Fermentationsbehälter erreicht werden kann.

Durch die Bereitstellen der drehbaren Lagerung, die die Last des Fermentationsbehälters vollständig oder im wesentlichen aufnimmt, ist eine einfache Konstruktion realisierbar, bei dem lediglich ein und vorzugsweise zwei Fixierelement e) eingericht ist(sind), das(die) den Fermentationsbehälter im wesentlichen belastungsfrei in der Rotierposition drehbar hält (halten). Beim Einsatz eines röhrenförmigen Fermentationsbehälters, d.h. einem Fermentationsrohr bzw. einer -trommel, oder einem runden Fermentationsbehälter werden vorzugsweise zwei Fixierelemente an den jeweiligen Enden einer Symmetrieachse – bei der Rotationstrommel geeigneterweise an den jeweiligen Enden der Längsache – als Fixier- und Drehlager eingerichtet. Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung unter Anwendung des mit Flüssigkeit gefüllten Schwimmbeckens wird die Flüssigkeitsmenge im Schwimmbecken vorzugsweise so einge stellt, daß der Auftrieb für eine weitgehende Belastungsfreiheit des Rotationsfixierelements sorgt. Durch die vollständige oder weitgehende Belastungsfreiheit können Fixiereinrichtungen zum Einsatz kommen, die keine hohe mechanische Festigkeit oder Steifigkeit erfordern. Zum Beispiel können die Biomasse-Zufuhreinrichtung und die Endsubstrat-Entnahmeeinrichtung jeweils gleichzeitig zum Festlegen der Rotierposition um die Rotationsachse dienen. Der Fermentationsbehälter ist folglich vorzugsweise als röhrenförmiger Behälter, z.B, als Trommel mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 5 m und vorzugsweise von etwa 1,5 bis 2,5 m ausgestaltet und ist an den längsseitigen Enden jeweils mit einem Rohr für die Biomasse-Zufuhreinrichtung und einem Rohr für die Endsubstrat-Entnahmeeinrichtung verbunden. Zufuhrrohr und Entnahmerohr weisen unabhängig voneinander jeweils einen kleineren Durchmesser auf und sind koaxial mit dem Fermentationsbehälter ausgerichtet um die Rotationsachse herum derart gebildet, daß die Drehung des Verbundes in einem jeweils beim Zufuhrrohr und beim Entnahmerohr bereitgestellten Drehlager vollständig oder weitgehend belastungsfrei erfolgt. Durch den Verbund ist ferner ein einfacher Rotationsantrieb möglich, indem lediglich beim Zuleitungsrohr und/oder beim Entnahmerohr eine Rotationsantriebseinrichtung eingerichtet ist und damit gleichzeitig die Drehung des Fermentationsbehälters erfolgen kann. Durch die drehbare Lagerung des Fermentationsbehälters auf Walzen/Rollen und insbesondere schwimmend im Flüssigkeitsbecken ist nur eine relativ geringe Antriebskraft und -energie erforderlich. Der Rotationsantrieb kann jedoch auch allein in bezug auf den Fermentationsbehälter oder zur Unterstützung ergänzend zu dem mindestens einen Rotationsantrieb an der Zufuhreinrichtung und/oder der Entnahmeeinrichtung erfolgen.

Die Drehung des Fermentationsbehälters erfolgt vorzugsweise kontinuierlich mit einer nach Bedarf eingestellten Drehgeschwindigkeit. Die Drehung kann ferner nach Bedarf, z.B. zur Probenentnahme, zur Verfahrenskontrolle, für bestimmte Verfahrensschritte oder für Wartungsarbeiten, für bestimmte Zeiten unterbrochen werden. Der Rotationsbetrieb läuft vorzugsweise mit einer mittleren Drehgeschwindigkeit von etwa 0,5 bis 10 Umdrehungen, weiter bevorzugt von etwa 1 bis 4 und insbesondere von etwa 2 bis 3 Umdrehungen pro Tag ab, um einen guten Kompromiß zwischen einer guten Durchmischung und einem passenden Vortrieb des Materials im Fermentationsbehälter, einer guten Biogasausbeute und einem geringen Energieverbrauch zu erzielen.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorteilhaft auf die Trockenfermentation ausgerichtet. Das heißt, die Fermentation erfolgt vorzugsweise in Form einer anaeroben Trockenvergärung mit einer schüttbaren oder stückigen Biomasse, deren Trockensubstanzgehalt über etwa 15 Gew.-%, vorzugsweise etwa 15 bis 45 Gew.-% und weiter bevorzugt von etwa 25 bis 35 Gew.-% liegt. Zu diesem Zweck ist der Einfüllbehälter der Vorrichtung zum Zuführen der Biomasse in Form eines Containers, eines Silos oder eines Ballen so ausgestaltet, daß er die zu fermentierende Biomasse als schüttfähiges bzw. stückiges Material aufnehmen kann und an die Zufuhreinrichtung liefern kann. Die Art der zu fermentierenden Biomasse ist nicht eingeschränkt und kann z.B. hauswirtschaftlicher, landwirtschaftlicher oder industrieller Bioabfall, zur Biogasgewinnung angebaute Pflanzen und Pflanzensilagen wie etwa von Mais, Roggen, Triticale und Grassilagen, Gülle, Mist, Klärschlamm, Grasschnitt, Altfett und dergleichen enthalten. Sogar biologisch nicht verwertbare Abfallprodukte werden im erfindungsgemäßen System toleriert, da die zu fermentierende Bio masse nicht pumpfähig zu sein braucht und das System gegenüber solchen Abfallprodukten unempfindlich ist.

Zum Eintrag der Biomasse und zum Austrag des fermentierten Endsubstrats in bzw. aus dem Fermentationsbehälter weisen die Zufuhreinrichtung bzw. die Entnahmeeinrichtung eine Förderschnecke oder eine Spiralwendel auf. Zur Einstellung der Konsistenz und der Dichte des ein- bzw, ausgetragenen Materials besitzt die Förderschnecke bzw, die Spiralwendel unterschiedliche Steigungen. Die Steigung ist jeweils vorzugsweise so ausgestaltet, daß sich in Förderrichtung durch abnehmende Steigung eine zunehmende Verdichtung des Materials ergibt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist im Fermentationsbehälter, koaxial mit dessen Rotationsachse, eine Hohlwelle eingerichtet, über die Biogas entnommen und/oder bei Bedarf ein Perkolationsmedium, welches Methangas oder produzierende Mikroorganismen enthält, und ggf. weitere flüssige oder gasförmige Medien bzw. Behandlungsmittel zugeführt werden kann. Die Hohlwelle sollte starr sein und in der Rotationsachse fixiert nicht rotieren und ist vorzugsweise mit mindestens einem Steigrohr verbunden, durch das bei Bedarf, vorzugsweise fortlaufend Biogas entnommen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hohlwelle in Form eines zweiseeligen Rohrs ausgestaltet, welches in der Symmetrieachse drehfest montiert ist und zwei Rohrleitungen aufweist: Das erste Rohr ist vorzugsweise mit einer ersten Serie von feststehenden Steigrohren zur Biogasentnahme verbunden, und das zweite Rohr ist vorzugsweise mit einer zweiten Serie von feststehenden Steigrohren zur bedarfsweisen Zufuhr von Perkolationsmedium und/oder weiterer flüssiger oder gasförmiger Medien verbunden.

Das erste Rohr ist geeigneterweise ausgangsseitig mit einer Evakuiereinrichtung verbunden und leitet das Biogas zu einem Gaszwischenspeicher oder direkt zu einer Einrichtung zur Gewinnung von Energie aus Biogas, z.B. einem Blockheizkraftwerk. Das zweite Rohr ist geeigneterweise eingangsseitig mit einem Vorratsbehälter verbunden, in dem das Perkolat bzw. weitere Behandlungsmittel enthalten sind. Ergänzend können in der Hohlwelle, ggf. mit weiteren Steigrohren verbunden, weitere Zu- bzw. Ableitungen vorgesehen sein, um gewünschte Funktionen zu erfüllen. So kann anstelle des Perkolationsmediums und vorzugsweise ergänzend dazu, wobei ein weiteres Rohr/Steigrohr-System bei der Hohlwelle eingerichtet werden kann, dem Fermentationsbehälter flüssiges bzw. fließfähiges Biomassensubstrat wie Gülle, ausgefaultes und mikroorganismenhaltiges Restsubstrat, etc. zugeführt werden.

Die Bereitstellung der Vielzahl an Steigrohren erlaubt nicht nur eine gut verteilte Entnahme von Biogas und/oder Zugabe von Perkolat und anderen flüssigen, fließfähigen oder gasförmigen Medien bzw. Behandlungsmitteln, sondern unterstützt zusätzlich eine gute Vermengung und Durchmischung der Biomasse im sich drehenden Fermentationsbehälter (Kammwirkung). Eine gute Kammwirkung wird erzielt, wenn der Fermentationsbehälter mit der Biomasse zu etwa 30 bis 80%, vorzugsweise etwa 50 bis 75% und insbesondere etwa 65 bis 70% der maximalen Füllhöhe gefüllt ist.

Die mit der Hohlwelle verbundenen Steigrohre besitzen vorzugsweise eine nach oben gerichtete, vertikale Erstreckung mit einem nach unten umgebogenen freien Ende, welches in den nicht mit Biomasse gefüllten Raum des Fermentationsbehälters hinein ragt. Dadurch kann verhindert werden, daß Biomasse in die Steigrohre hinein fällt und somit das entnommene Biogas verunreinigt, und eine Verstopfung der Steigrohre wird vermieden.

Die Vorwärtsbewegung der Biomasse im Fermentationsbehälter und deren Geschwindigkeit und damit die Verweildauer der Biomasse im Fermentationsbehälter kann gut eingestellt werden durch den unabhängig steuerbaren Betrieb der Biomasse-Zufuhreinrichtung und der Endsubstrat-Entnahmeeinrichtung und durch den Abrolleffekt, der sich durch die Rotation des Fermentationsbehälters an sich, durch die Rotationsgeschwindigkeit und durch die geeignete Füllhöhe der Biomasse im Fermentationsbehälter einstellen läßt. Ergänzend dazu kann die Vorwärtsbewegung durch mechanische Elemente unterstützt werden, z.B. einfach durch an der Behälterinnenseite angebrachte Vortriebselemente, die für einen zusätzlichen Vortrieb der Biomasse im Fermentationsbehälter sorgen. Eine einfache Realisierung der Vortriebselemente ermöglicht das Anbringen statischer Vorschubleisten, die in Schrägstellung an der Innenwand des Fermentationsbehälters angebracht sind.

In einem besonders nützlichen Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der drehbar gelagerte Fermentationsbehälter, der geeigneterweise in Form einer Trommel gebildet ist, so ausgestaltet, daß er eine nach innen in den Fermentationsraum weisende Beschichtung aufweist, die eine raube Oberfläche und/oder eine Porosität zur Besiedlung von Fermentationsmikroorganismen besitzt. Durch diese raube und/oder poröse Schicht an der Innenwand des Behälters können die Bedingungen für die Fermentationsmikroorganismen stark verbessert werden, und im Gegensatz zu einer normalen, glatten Behälterinnenoberfläche ist die spezifische Oberfläche erhöht, wodurch eine Erhöhung der Vergärungsfläche und somit auch eine gesteigerte Durchsatzleistung und ein gesteigerter Gasertrag erzielt werden.

Durch die drehbare Eigenschaft des Fermentationsbehälters wird eine Bewegung der Perkolatflüssigkeit an der rauhen Oberfläche und vorzugsweise in den Poren der Innenwandschicht ermöglicht. Ferner kann durch Drehung des Behälters ein wechselnder Kontakt der an der rauhen bzw. porösen Oberflächenschicht haftenden Mikroorganismenkultur mit der Biomasse stattfinden. Insgesamt ergibt sich eine deutlich verbesserte Biogasausbeute.

Die raube und/oder poröse Oberfläche der Innenwandbeschichtung des Fermentationsbehälters weist somit eine rillige, muldige, kuppige, schuppige und/oder insbesondere eine porige Struktur auf. Die Rauheit zeichnet sich zum Beispiel durch eine Rauhtiefe von mindestens etwa 0,1 mm, vorzugsweise mindestens etwa 1 mm und weiter bevorzugt von mindestens etwa 5 mm aus, und die Porosität, die alternativ oder zusätzlich zur Rauheit und offenporig vorliegen kann, beinhaltet zum Beispiel Porengrößen von etwa 0,01 bis 50 mm, vorzugsweise von etwa 0,1 bis 10 mm, ggf. zusätzlich kleinere und größere Poren.

Das Material der Beschichtung umfasst vorzugsweise ein bioverträgliches, aber biologisch im wesentlichen nicht abbaubares Material, beispielsweise Kunststoff und vorzugsweise ein Bitumen oder ein bituminöses Material. Das Material wird beispielsweise auf die Innenwand des Fermentationsbehälter-Grundkörpers, der vorzugsweise in Form einer Trommel vorliegt, grob aufgestrichen, aufgespritzt, aufgeschäumt oder in Form eines Schwamms aufgebracht. Alternativ kann eine zunächst glatte Beschichtungsoberfläche aufgeraut oder porös gemacht werden.

Eine besonders gute Auswertung der eingesetzten Biomasse wird erzielt, wenn im Anschluß an die oben beschriebene anaerobe Fermentation zur Biogasgewinnung mit einer Nachkompostierung des fermentierten Restsubstrats kombiniert wird. Durch die Vorschaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trockenfermentation werden in der Nachkompostierung zwei Rottegrade überflüssig. Somit läßt sich die ausgezeichnete Energieausbeute bei der Biogasgewinnung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem sich ohne weiteres Ausbeuten von bis zu ca. 70% Methangehalt bei niedrigem Eigenenergieverbrauch ergeben, ausgezeichnet mit einer Verwendung des nach der anaeroben Fermentation erhaltenen Restsubstrats zur Herstellung eines Biodüngers, vorzugsweise nach der Nachkompostierung des Restsubstrats, kombinieren.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungsformen sind zur Veranschaulichung und als Beispiele, jedoch nicht einschränkend zu verstehen.
1 zeigt schematisch im Längsquerschnitt eine Anlage mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Biomasse gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt die Anlage der 1 schematisch in einer Draufsicht;
3 zeigt schematisch im Längsquerschnitt eine alternative Ausführungsform einer Anlage mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Biomasse gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt die Anlage der 3 schematisch in einer Draufsicht, und
5 zeigt die Vorrichtung der 3 im Kurzquerschnitt; und
6 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der in 1 gezeigten Ausführungsform.
Erste Ausführungsform
Gemäß der in 1, 2 und 6 gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist eine den Fermentationsraum bildende, zylindrische Fermentationstrommel 11 schwimmend in einer Flüssigkeit 16 gelagert, wobei sich Wasser als die Flüssigkeit 16 im Flüssigkeitsbecken 90 befindet. Als Fermentationsbehälter 11 dient hier eine Trommel aus Eisen oder Stahl mit einem Volumen von ca. 30 m³, einem Innendurchmesser von 2,20 m und einer Innenlänge von 8,60 m. Die Flüssigkeitsmenge des Wassers 16 im Schwimmbecken 90 ist so eingestellt und kann durch einen Wasserfüllstandsmesser 20 so geregelt werden, daß die Trommel 11 aufgrund des Auftriebs so in einen schwimmenden Zustand versetzt wird, daß das Zuleitungsrohr 24 zum Einführen der Biomasse 12 und das Entnahmerohr 25 zum Entnehmen des fermentierten Endsubstrats 30 jeweils in einem in der Seitenwand des Schwimmbeckens 90 vorgesehenen Holzlager 23 weitgehend belastungsfrei rotieren kann. Unterhalb des Fermentationsbehälters 11 ist mindestens ein Trägerelement 17 vorgesehen, der in der Höhe variabel sein kann und als Notaufnehmer für den Fall dient, daß der Fermentationsbehälter 11 eine bestimmte Schwimmhöhe unterschreitet. In 1 sind drei solcher Trägerelemente 17 gezeigt. Im normalen Schwimmzustand liegt zwischen der Außenwand des Fermentationsbehälters 11 und dem Trägerelement 17 eine Lücke von geeigneterweise 1 bis 20 cm, z.B. von 10 cm vor, die durch das Wasser 16 ausgefüllt wird (s.
6). Das Trägerelement 17 kann z.B. aus Holz und in Form eines Klotzes oder, um die Notauflagefläche zu erhöhen, schalenförmig oder U-förmig ausgestaltet sein und kann an der zum Fermentationsbehälter zeigenden oberen Seite eine Gleit- oder Rollfläche aufweisen.
Das Wasser 16 des Schwimmbeckens 90 wird von einem z.B. 8 bis 10 m³ großen Wasserbehälter 60 gespeist. Das darin befindliche Wasser 18 wird über Leitungen von einer Wassertauchpumpe 19, die von dem Wasserfüllstandsmesser 20 gesteuert ist, bei Bedarf und gesteuert in das Wasserbecken eingeführt. Eine Wasserzirkulationspumpe 21 sorgt für eine homogene Temperaturverteilung des Wassers 16 im Schwimmbecken. Die Temperatur des Wassers 16 wird gemessen und über einen Wärmetauscher 22 geregelt.
Die zu fermentierende Biomasse 12, die vorzugsweise ein schüttfähiges, vorkompostiertes Material mit einer durch eine aerobe Vorkompostierung erreichten Temperatur von etwa 30 bis 40°C ist, wird in einem trichterförmigen Schüttcontainer 13 aufgenommen. Das Volumen des Schüttcontainers 13 beträgt ungefähr 3 m³ und entspricht somit etwa der zur Fermentation in die ca. 30 m³ große Fermentationstrommel gelieferten Tagesmenge. Die Biomasse wird durch einen sich drehenden Rechen 46 zur groben Durchmischung in einen Schneckenförderer 41 eingeführt, der aufgrund in Förderrichtung abnehmender Steigung die Biomasse unter Verdichtung derselben in die Fermentationstrommel 11 befördert. Die Drehachse des Schneckenförderers 41 verläuft entlang der Symmetrieachse der sich drehenden Fermentationstrommel 11 und ist drehbar in einem Zuleitungsrohr 24 eingeschlossen, welches über einen Flansch 24a fest mit der Fermentationstrommel 11 verbunden ist. Die Förderschnecke 41 wird über ein Zahnradgetriebe mit einem Motor 43 zur Befüllung der Fermentationstrommel angetrieben, wobei die Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors und somit der Förderschnecke je nach gewünschter Eintragsmenge und unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Fermentationstrommel gesteuert ist. Das Zuleitungsrohr 41 und der Schüttcontainer 13 sind durch Stützen 13a getragen.
Am der Eingangsseite gegenüberliegenden Ende der Fermentationstrommel 11 ist, ebenfalls koaxial mit der Rotationsachse des Fermentationsbehälters 11, ein Entnahmerohr 25 zum Entnehmen des fermentierten Endsubstrats 30 vorgesehen. Das Entnahmerohr 25 ist ebenfalls über einen Flansch 25a fest mit der Fermentationstrommel 11 verbunden und umschließt eine sich um die Rotationsachse koaxial drehende Förderschnecke 42 zum Austrag des Endsubstrats. Die Steigung der Förderschnecke 42 nimmt in Förderrichtung ab, so daß die fermentierte Biomasse im Fermentationsraum gegriffen wird und unter Verdichtung ein rieselfähiges Endsubstrat 30 ausgetragen wird. Das Endsubstrat 30 wird über ein Förderband 47 abtransportiert und, wie in 2 gezeigt, einer Nachkompostieranlage 100 zugeführt. Drehgeschwindigkeit der Förderschnecke 42 und somit die Austragsmenge des Endsubstrats kann über ein Zahnradgetriebe durch einen Antriebsmotor 44 gesteuert werden. Ein weiterer Antriebsmotor 45 bewirkt über einen Kettenantrieb 45a eine Drehung des Entnahmerohrs 25. Aufgrund der festen Verbindung mit der Fermentationstrommel 11 und eingangsseitig mit dem Zuleitungsrohr 24 bewirkt die Drehung des Entnahmerohrs 25 eine Komplettdrehung des verbundenen Rohrsystems. Die Drehung des Rohrsystems wird in diesem Ausführungsbeispiel auf eine kontinuierliche Rotation mit zwei bis drei Umdrehungen pro Tag eingestellt. Die Rotationsgeschwindigkeit ist jedoch nach Wunsch individuell steuerbar. Die Drehung des Entnahmerohrs 25 erfolgt wie auf der Seite des Zuleitungsrohrs in einem in der linken Seitenwand des Schwimmbeckens 90 vorgesehen, das Rohr aufnehmenden Holz-Drehlager 23. Zur Gewährleistung der Wasserdichtheit des Schwimmbeckens ist an den Holzlagern 23 anliegend ein aufblasbarer Gummiring 29 vorgesehen, der mit einem Seegerverschluß mit der Seitenwand des Schwimmbeckens 90 verbunden ist. Die Füllstandshöhe des Wassers 16 im Schwimmbecken 90 liegt vorzugsweise unterhalb der Zuleitungs- und Entnahmerohre 24 und 25.
Koaxial mit der Rotationsachse der Fermentertrommel 11 befindet sich im Fermentationsraum eine Hohlwelle 26, die sich an beiden Enden der Fermentationstrommel weiter koaxial entlang der Rotationsachsen der Zuleitungs- bzw. Entnahmerohre 24 und 25 erstreckt. Wie zusätzlich durch 6 detaillierter dargestellt, ist die Hohlwelle 26 als zweiseeliges Rohr aus Stahl ausgestaltet, wobei ein äußeres Rohr 262 größeren Durchmessers mit einer ersten Serie von Steigrohren 26a zur Entnahme des Biogases 14 verbunden ist (s. die nach oben gerichteten Pfeile in 1 und 6) und zur Ableitung des Biogases – wie in 2 gezeigt zu einem Biogas-Zwischenspeicher 70 mit z.B. etwa 250 m³ Volumen und darüber hinaus zu einem Blockheizkraftwerk 80 – dient. Das zweite, innere Rohr 262 kleineren Durchmessers in der Hohlwelle 26 ist mit einer zweiten Serie von Steigrohren 26b verbunden. Über dieses Rohrsystem kann je nach Bedarf Perkolat und/oder weitere flüssige, fließfähige oder gasförmige Medien 15 aus dem Vorratsbehälter 50 (Volumen z.B. ca. 5 m³) in die Fermentationstrommel 11 eingeführt werden (s. die nach unten gerichteten Pfeile in 1 und 6). In der Hohlwelle umgibt das erste Rohr 261 größeren Durchmessers das dünnere Rohr 262, so daß das entnommene, warme Biogas für eine günstige Erwärmung des zugeleiteten Mediums 15 und somit für eine günstige Voraussetzung für die Fermentation sorgt. Hohlwelle 26 und Steigrohre 26a, 26b sind drehfest montiert, und die Hohlwelle wird seitlich über Stützen 51a und 51b gestützt. Die Hohlwelle 26 endet in einem toten Ende 26c. Alternativ kann das Rohrsystem der Hohlwelle in einem geschlossenen Zirkulationssystem integriert sein. Die gleichmäßig in Längsrichtung der Fermentationstrommel verteilten Steigrohre führen zu einem günstigen Kammeffekt zur Durchmischung des sich im Behälter befindlichen Materials.
In der Fermentationstrommel 11 ist ferner ein Einstiegsloch 28 mit z.B. ca. 2 m Durchmesser vorgesehen, um einen weiteren Zugang in das Innere oder eine weitere Entnahmemöglichkeit aus der Fermentationstrommel bereitzustellen. Am Einstieg 28 ist ferner eine 1 cm dicke Lochplatte 28a vorgesehen mit Sieblöchern von jeweils etwa 8 – 10 mm Lochdurchmesser. Die Lochplatte dient zum Ablauf von überflüssigem Perkolats. Dieses überflüssige Perkolat kann bei Bedarf über die Leitung 27 durch Anschluß einer Pumpe abgeleitet und ggf. zum Vorratsbehälter 50 zurückgeführt werden.
Ein vorteilhafter Betrieb einer Trockenvergärung wird vorzugsweise kontinuierlich so ausgeführt, daß durch Einstellung der Eintragsmenge der Biomasse 12 und der Austragsmenge des Endsubstrats 30 sich in der Fermentationstrommel 11 eine Füllstandshöhe des fermentierenden Materials 12 von ca. der Hälfte bis drei Viertel und insbesondere ca. zwei Drittel der Behälterhöhe einstellt, wie in 1 gezeigt. Dadurch wird ein gute Biogasausbeute bei gleichzeitig gutem Abrolleffekt zur Vorwärtsbewegung aufgrund der Rotation des Fermentationsbehälters 11 bewirkt. Günstig für eine Vorwärtsbewegung wirkt sich darüber hinaus die Bereitstellung von Vorschubleisten 52 aus, z.B. schräggestellte Bleche von etwa 1 cm Dicke und 8 cm Länge.
Die in 1 und 2 gezeigten Teile der Anlage können individuell oder kombiniert im Freien oder in einem Gehäuse untergebracht sein. Speziell der Fermentationsbehälter 11 und das Schwimmbecken 90 können überdacht sein, z.B. durch eine Folie oder eine Deckschleifplane.
Zweite Ausführungsform
Die 3, 4 und 5 zeigen jeweils im Längsquerschnitt, in der Draufsicht und im Kurzquerschnitt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausgestaltung und Verfahrensweise dieser Ausführungsform entsprechen weitgehend der ersten Ausführungsform gemäß 1, 2 und 6, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Einrichtungen und Elemente bedeuten, unterscheidet sich jedoch von der ersten Ausführungsform dadurch, daß die Fermentationstrommel 11 nicht schwimmend auf einer Flüssigkeit, sondern drehbar auf sich drehenden Walzen 36 gelagert ist. Folglich sind in dieser Ausführungsform auch der Wasservorratsbehälter 60 mit dem Wasser 18, die Wassertauchpumpe 19, der Wasserfüllstandsmesser 20, die Wasserzirkulationspumpe, der Wärmeaustauscher 22 und das Trägerelement 17 entbehrlich. In dieser Ausführungsform ist zur Stütze der Last eine Vielzahl von Drehwalzen 36 vorgesehen, die sowohl wie in 3 gezeigt in der Längsrichtung, als auch wie in 5 gezeigt in Querrichtung über den Außenumfang des unteren Teils der Fermentationstrommel 11 verteilt drehbar und in Drehkontakt mit der Fermentationstrommel 11 eingerichtet sind. In diesem Beispiel sind fünf Walzen 36 in der Längsrichtung und – jeweils in einer quer verlaufenden Serie – neun Walzen 36 in der Querrichtung, also 45 Walzen insgesamt vorgesehen. Die Konstruktion kann jedoch durch die Bereitstellung einer anderen Anzahl von Walzen, insbesondere durch weniger Walzen vereinfacht werden und ggf. auf eine zentrale Längswalze, die sich entlang der tiefsten Stelle der Fermentationstrommel 11 in deren Längsrichtung erstreckt, reduziert werden.
Dritte Ausführungsform
6 zeigt detaillierter eine besondere Ausgestaltung des drehbar lagerbaren Fermentationsbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fermentationstrommel 11 weist dabei an der Innenwand zum Fermentationsraum eine Beschichtung 53 auf, die eine raube Oberfläche und/oder eine Porosität besitzt. Die Beschichtung ist vorzugsweise auch auf den in der ersten Ausführungsform beschriebenen Vorschubleisten vorgesehen. Eine solche raube und vorzugsweise poröse Beschichtung erlaubt die günstige Besiedlung und Unterbringung der methanproduzierenden Fermentationsmikroorganismen. Aufgrund des Kontakts mit der Grundwand des Behälters herrscht dort eine Temperatur vor, die leicht über das Umgebungswasser 16 auf den optimalen mesophilen bzw. thermophilen Temperaturbereich eingestellt werden kann. Die Biogasausbeute wird durch die Bereitstellung der rauben und/oder porösen Beschichtung stark erhöht. In dieser Ausführungsform wurde ein Bitumenmaterial rauh und porös auf die Innenoberfläche der Fermentationstrommel 11 aufgebracht.
6 zeigt ferner im Detail den bevorzugten Aufbau des Schwimmbeckens 90, der einen wasserdichten Beton 54, eine Wärmedämmung 55 sowie eine Folienabdichtung 56 einschließt. Die Dicken der jeweiligen Aufbauschichten können nach Bedarf gewählt werden; z.B. eignet sich eine etwa 10 bis 15 cm dicke Betonschicht, eine ca. 10 cm dicke Wärmedämmschicht und eine etwa 1 bis 2 cm dicke Folienschicht.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben einen kontinuierlichen Betrieb, der zur Trockenfermentation unterschiedlicher Arten von Biomasse besonders geeignet ist, wobei Verfahrens- und Anlagenparameter über eine Steuerung überwacht und bei Bedarf automatisch verändert werden können. Die Verweildauer, die Temperatur, die Perkolatmenge und die Zufuhr- und Entnahmemenge sind jeweils individuell einstellbar.
Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen können kombiniert und modifiziert werden.

Claims

Verfahren zur Vergärung von Biomasse unter Gewinnung von Biogas, bei dem die Zufuhr von Biomasse und die Entnahme von Biogas und Restsubstrat in kontinuierlichem Betrieb erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation unter Drehung eines Fermentationsbehälters (11) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter (11) auf einer Flüssigkeit (16) schwimmend gelagert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit (16) Wasser verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter (11) durch ein Fixierelement (23) in der Rotierposition drehbar gehalten wird und die Flüssigkeit in einem den Fermentationsbehälter aufnehmenden Becken in einer solchen Höhe enthalten ist, dass der Auftrieb für eine weitgehende Belastungsfreiheit des Fixierelements sorgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter auf mindestens einer Walze oder Rolle (36) drehbar gelagert wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation in einem röhrenförmigen, drehbaren Behälter (11) erfolgt und die Biomassezufuhr (12) und die Restsubstratentnahme (30) jeweils in einem Zuleitungsrohr (24) bzw. Entnahmerohr (25) erfolgen, die jeweils einen kleineren Querschnittsdurchmesser als der röhrenförmige Fermentationsbehälter (11) aufweisen, koaxial mit dem Fermentationsbehälter ausgerichtet werden und auf entgegengesetzten Seiten des Fermentationsbehälters (11) mit diesem verbundenen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zur Drehung des Fermentationsbehälters (11) durch Rotationsantrieb (45, 45a) des Zuleitungsrohrs (24) und/oder des Entnahmerohrs (25) bewirkt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter (11) mit einer mittleren Drehgeschwindigkeit von etwa 0,5 bis 10 Umdrehungen pro Tag gedreht wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden, Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation in Form einer Trockenvergärung mit einer Biomasse (12) erfolgt, deren Trockensubstanzgehalt über etwa 15 % liegt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter (11) mit der Biomasse (12) zu etwa 30 bis 80 % der maximalen Füllhöhe gefüllt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial mit der Rotationsachse eine Hohlwelle (26) verwendet wird, über die Biogas (14) entnommen und/oder Inokulationsmedium oder ein anderes Behandlungsmittel (15) zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fermentations-Mikroorganismen an oder in einer Schicht (53) der Innenwand des Fermentationsbehälters (11) gehalten werden, die eine Oberflächenrauheit oder eine Porosität aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fermentierte Restsubstrat (30) in einer Nachbehandlung nachkompostiert wird.
Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Biomasse unter Gewinnung von Biogas, mit: – einem Fermentationsraum, – einer Zufuhreinrichtung (24, 41) zum Zuführen von fermentierbarer Biomasse (12) zu dem Fermentationsraum, – einer Entnahmeeinrichtung (25, 42) zum Entnehmen von fermentiertem Substrat (30), und – einer Entnahmeeinrichtung (26a, 261) zum Entnehmen von Biogas (14), dadurch gekennzeichnet, dass ein drehbar gelagerter Fermentationsbehälter (11) vorgesehen ist, in dem der Fermentationsraum gebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, ferner mit einem Flüssigkeitsbecken (90), in dem der Fermentationsbehälter (11) aufgenommen ist und in dem der Fermentationsbehälter schwimmend in eine Flüssigkeit (16) eintauchen kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, ferner mit mindestens einer Walze oder Rolle (36), auf der der Fermentationsbehälter (11) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, ferner mit einem Fixierelement (23), das den Fermentationsbehälter (11) im wesentlichen belastungsfrei in der Rotierposition drehbar hält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17 in Verbindung mit Anspruch 15, ferner mit einem im Flüssigkeitsbecken (90) eingerichteten Flüssigkeitsfüllstandsmesser (20), der die Flüssigkeitshöhe im Flüssigkeitsbecken so steuert, dass der Auftrieb für die weitgehende Belastungsfreiheit des Fixierelements (23) sorgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter (11) ein röhrenförmiger Behälter ist, und dass die Biomasse-Zufuhreinrichtung (24, 41) und die Entnahmeeinrichtung (25, 42) für das fermentierte Substrat jeweils Zu- (24) bzw. Entnahmerohre (25) umfassen, die jeweils einen kleineren Querschnittdurchmesser als die Fermentationsröhre aufweisen, koaxial mit der Fermentationsröhre ausgerichtet sind und auf entgegengesetzten Seiten der Fermentationsröhre mit diesem verbundenen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, ferner mit einer Rotationsantriebseinrichtung des Zuleitungsrohrs (24) und/oder mit einer Rotationsantriebseinrichtung (45, 45a) des Entnahmerohrs (25), wobei durch den Rotationsantrieb gleichzeitig die Drehung des Fermentationsbehälters (11) erfolgen kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, ferner mit einem mit der Zufuhreinrichtung (24, 41) verbundenen Einfüllbehälter (13) zum Zuführen der Biomasse (12) für die Fermentation, wobei der Einfüllbehälter so ausgestaltet ist, dass er eine schüttbare Biomasse aufnehmen und die schüttbare Biomasse an die Zufuhreinrichtung (24, 41) liefern kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse-Zufuhreinrichtung (24, 41) und/oder die Entnahmeeinrichtung (25, 42) jeweils einen Schneckenförderer (41, 42) mit in der jeweiligen Förderrichtung abnehmender Steigung aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, ferner mit einer Hohlwelle (26), die im Fermentationsbehälter (11) koaxial mit dessen Rotationsachse eingerichtet ist, wobei die Hohlwelle ein erstes Rohr (261) zur Biogasentnahme und ggf. ein zweites, davon räumlich getrenntes Rohr (262) zur Zufuhr von Inokulationsmedium und/oder Behandlungsmittel einschließt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr (261) der Hohlwelle außerhalb des Fermentationsbehälters mit einer Gasleitung und innerhalb des Fermentationsbehälters mit einer ersten Serie von Steigrohren (26a) zur Entnahme von Biogas (14) verbunden ist, und dass das zweite Rohr (262) der Hohlwelle außerhalb des Fermentationsbehälters mit einem Vorratsbehälter (50) des Inokulationsmediums und/oder Behandlungsmittels (15) und innerhalb des Fermentationsbehälters mit einer zweiten Serie von Steigrohren (26b) zur Zufuhr des Inokulationsmediums und/oder des Behandlungsmittels verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsbehälter (11) Vortriebselemente (52) zum Vortrieb der Biomasse im Fermentationsbehälter aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 25, kombiniert mit einer Kompostieranlage (100).
Fermentationsbehälter (11), der eine drehbare Form aufweist und auf der Behälterinnenwand eine nach innen weisende Beschichtung (53) aufweist, die eine raube Oberfläche und/oder eine Porosität zur Besiedlung von Fermentationsmikroorganismen besitzt.
Fermentationsbehälter (11) gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein biologisch im wesentlichen nicht abbaubares Material umfasst.
Verwendung des Fermentationsbehälters (11) gemäß Anspruch 27 oder 28 in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verwendung eines durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 erhaltenen Restsubstrats (30) zur Herstellung eines Biodüngers.