DE19717965A1 - Co - Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit Biogasgewinnung - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das erfindungsgemäße Co-Fermentationsverfahren mit Wertstoffgewinnung kann sowohl als autonomer Verfahrenszug als auch komplementär zu bereits bestehenden Anlagen eingesetzt werden.

Im Rahmen des Co-Fermentationsverfahrens erfolgt die mikrobielle Behandlung, Aufarbeitung und Verwertung biogener Abfall-, Rest-, und Rohstoffe, die im Zusammenhang mit der Produktion von Wirtschaftsgütern und Dienstleistungen im Bereich der Landwirtschaft, der Nahrungsgüterwirtschaft und der Industrie an vielen Standorten entstehen.

Angaben zum Stand der Technik

Mit bekannten Verfahren und Technologien zur mikrobiellen Behandlung von biogenen Abfall-, Rest- und Rohstoffen mit Gewinnung fester, flüssiger und/oder gasförmiger Wertstoffe können eine ganze Reihe von Primäranforderungen erfüllt werden. Dazu zählen u. a. der mikrobielle Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen in Methan und Kohlendioxid, die Anreicherung des Methangehaltes im Biogas in einer zusätzlichen Verfahrensstufe, durch die Absorption von Kohlendioxid in Wasser einschließlich der Steigerung des Kohlendioxidaufnahmevermögens des Wassers durch löslichkeitsverbessernde Substanzen und/oder durch die Einstellung optimaler Temperatur- und Druckverhältnisse, durch das Ausstrippen des Kohlendioxides, durch Fällen des Kohlendioxides und der anschließenden mechanischen Abtrennung der Fällprodukte.

Weitergehende Anforderungen, die besonders für die Wirtschaftlichkeit solcher Verfahren und Technologien von Bedeutung sind, wie die gezielte Steigerung der Methanausbeute, die Erhöhung der Methanproduktivität, die wesentliche Steigerung des Methangehaltes im Biogas auf natürliche Art und Weise ohne zusätzliche Verfahrensstufen und bioreaktionstechnische Maßnahmen können nicht mehr erfüllt werden. Unter Methanproduktivität ist hier die pro Zeiteinheit und Fermentervolumen gebildete Methanmenge und unter Methanausbeute die pro Gramm organische Trockensubstanz des Co-Substrates gebildete Methanmenge zu verstehen.

Weiterhin ist bekannt, daß es bei Zugabe zu großer Mengen stark methanogener Co- Substrate zum "Umkippen" bzw. zur "Versäuerung" des Methanreaktors kommen kann und dieser Zusammenbruch des Prozesses nur durch eine ganze Reihe aufwendiger bioverfahrenstechnischer und apparativer Maßnahmen verhindert wird, die Anreicherung des erzeugten Biogases mit Methan im Regelfall immer erst nach dem eigentlichen Methangärprozeß mit einem hohen technologischen Aufwand in nachgeschalteten separaten Verfahrensstufen erfolgt und die Aufrechterhaltung optimaler Prozeßbedingungen nur mit Hilfe kosten intensiver peripherer Einrichtungen möglich wird.

Werden in bekannten Methanreaktoren Fermentationsbrühen wie z. B. Gülle verwertet in denen die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von Salzen (z. B. Natriumacetat) enthalten sind, stellt sich eine gute Biogasqualität ein. Außerdem ist bekannt, daß mit steigender Verweilzeit im Methanreaktor der pH-Wert und damit gekoppelt der Methangehalt im Biogas steigt. Nachteilig ist in diesem Zusammenhang weiterhin, daß eine gute Biogasqualität mit langen Verweilzeiten der Fermentationsbrühen im Biogasreaktor jedoch mit geringer Methanproduktivität verbunden ist.

Werden in bekannten Methanreaktoren hingegen Fermentationsbrühen verwertet, in denen die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien Säuren bzw. reinen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen (z. B. Essigsäure, Zucker, Stärken) enthalten sind, wie es beim Einsatz von Co-Substraten meist der Fall ist, stellt sich im Biogas eine Zusammensetzung ein, die der Stöchiometrie für die vollständige Umwandlung in Methan und Kohlendioxid entspricht, wobei die Atombilanzen durch Addition oder Abspaltung von Wasser auszugleichen sind. Für die wichtigsten, genannten Co-Substratbestandteile Essigsäure, Zucker und Stärke bedeutet das beispielsweise, daß sich ein Biogas mit nur 50 Vol.-% Methan einstellt, was einen gravierenden Nachteil darstellt, da dieses Biogas an der Luft nicht brennbar ist.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines einfachen, wirtschaftlichen, ökologischen und innovativen Co-Fermentationsverfahrens für die mikrobielle Behandlung von optimierten Gemischen aus biogenen Co-Substraten (wie z. B. Abfall-, Rest- und Rohstoffen) mit Basisfermentationsbrühen. Als Wertstoff fällt dabei Biogas an.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ohne die Verwendung zusätzlicher konstruktiver und peripherer Einrichtungen sowie ohne die aufgeführten Nachteile bekannter konventioneller Biogasverfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren die substratspezifische Methanausbeute zu steigern, den Methangehalt im Biogas zu erhöhen und die Methanproduktivität zu verbessern.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe das Co-Fermentationsverfahren zu entwickeln, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem ersten Verfahrensschritt unter definiert vorgegebenen Prozeß- und Milieubedingungen der Basisfermentationsbrühe in einem optimalen Verhältnis spezifische Co-Substratmengen zugegeben und vorvergoren werden. Es wurde gefunden, daß der Vorgärprozeß in einem Temperaturbereich von +0°C bis +30°C und bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von mehr als einem Tag günstig abläuft. Weiterhin wurde gefunden, daß ein optimales Mischungsverhältnis von Co- Substraten und der Basisfermentationsbrühe immer dann erreicht ist, wenn im Abgas der Vorgärstufe mehr als 90 Vol.-% Kohlendioxid enthalten ist und in der Gemischfermentationsbrühe noch ein Rest in Höhe von mehr als 5 Vol.-% Kohlendioxid gelöst verbleibt und dadurch der Methangärungsprozeß ohne "Umzukippen" sehr stabil abläuft.

Das anschließend im Bedarfsfall von Feststoffen zu entlastende homogenisierte Gemisch aus Co-Substraten und Basisfermentationsbrühen wird in einem zweiten Verfahrensschritt der eigentlichen Methangärung unterworfen. Überraschenderweise wurde bei Anwendung des Co-Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfall- Rest- und Rohstoffe mit Biogasgewinnung auch bei Verwendung von Co-Substraten, welche die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien Säuren bzw. reinen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen enthalten, gefunden, daß im Gegensatz zu den bekannten Biogasverfahren bei sehr stabilen Prozeß- und Milieubedingungen (pH-Wert höher 6,5, Fermentationstemperaturen im mesophilen Bereich und mittleren hydraulischen Verweilzeiten von größer 2 Tagen) ein Biogas mit 10 Vol.-% bis 25 Vol.-% gesteigertem Methangehalt gegenüber dem stöchiometrisch zu erwartenden Methangehalt entsteht.

Außerdem wurde gefunden, daß die Methanproduktivität bei Verwendung von Gemischfermentationsbrühe z. B. aus Rindergülle und Co-Substraten bis auf 700% gegenüber der Methangärung mit reiner feststoffentlasteter Rindergülle als Basisfermentationsbrühe ansteigt. Weiterhin wurde festgestellt, daß sich der Methangehalt, die Methanausbeute und die Methanproduktivität bei Verwendung anderer Basisfermentationsbrühen verändern.

Außerdem wurde gefunden, daß die den zweiten Verfahrensschritt, die eigentliche Methangärung, verlassende ausgefaulte Gemischfermentationsbrühe im ersten Verfahrensschritt, der Vorgärung, als Basisfermentationsbrühe wieder eingesetzt werden kann, da sich die bioverfahrenstechnischen Eigenschaften und Wirkungen von Basisfermentationsbrühe und ausgefaulter Gemischfermentationsbrühe annähernd gleichen. Damit kann die Fermentationsbrühe sowohl im Durchlauf als auch im Kreislauf gefahren werden.

Vorteile der Erfindung

Das entwickelte Co-Fermentationsverfahren für die mikrobielle Behandlung von Gemischen aus biogenem Co-Substraten und Basisfermentationsbrühen zur Beseitigung von biogenen Abfällen und zur produktiven Erzeugung von qualitativ hochwertigem Biogas als Wertstoff besitzt gegenüber den bekannten konventionellen Biogasverfahren folgende wesentliche Vorteile:

• 1. Durch die definierte Zugabe der biogenen Co-Substrate zu den Basisfermentationsbrühen in der Vorgärstufe, die mit der Bildung eines fast vollständig aus Kohlendioxid bestehenden Abgases verbunden ist, kommt es in der Methangärstufe auf natürliche Art und Weise zu einem sehr stabil verlaufenden Methanbildungsprozeß ohne die sonst übliche Gefahr des sogenannten "Umkippens" oder "Übersäuerns". Zur Aufrechterhaltung der stabilen Betriebsweise werden keine zusätzlichen peripheren Einrichtungen, Hilfs- und Nebenstoffe benötigt.
• 2. Durch das Mischen von biogenen Co-Substraten mit Basisfermentationsbrühen und der Vorvergärung des Gemisches kommt es zu einer beachtlichen Erhöhung des Anteils und der mikrobiellen Verfügbarkeit methanogener Substanzen in der Gemischfermentationsbrühe und in Folge in der Methangärstufe simultan zu einer wesentlichen Steigerung der Methanausbeute, der Methanproduktivität des Methangehaltes im Biogas ohne zusätzliche technologische Maßnahmen.
• 3. Die Bildung der mit methanogenen Substanzen angereicherten Gemischfermentationsbrühen läuft in einem weiten Temperaturbereich (von +0°C bis +30°C) und bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von mehr als einem Tag ab. Das führt zu einer wesentlichen Reduzierung des energetischen und apparatetechnischen Aufwandes für den Vorgärprozeß.
• 4. Auch bei Verwertung von Co-Substraten, welche die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien Säuren bzw. reinen Kohlenstoff-Wasserstoff- Sauerstoff-Verbindungen enthalten wurde bei Anwendung des Co- Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit Biogasgewinnung ein Biogas mit 10 Vol.-% bis 25 Vol.-% gesteigertem Methangehalt gegenüber dem stöchiometrisch zu erwartenden Methangehalt erreicht, was einen bedeutenden wirtschaftlichen Vorteil darstellt, da dieses Biogas an der Luft brennbar ist und ähnlich wie Erdgas verwertet werden kann.
• 5. Die ausgefaulte Gemischfermentationsbrühe, die die Methanstufe verläßt, kann im ersten Verfahrensschritt, der Vorgärung, als Basisfermentationsbrühe wieder eingesetzt werden, da sich die bioverfahrenstechnischen Eigenschaften und Wirkungen von Basisfermentationsbrühen und ausgefaulten Gemischfermentationsbrühen annähernd gleichen. Damit kann die Fermentationsbrühe sowohl im Durchlauf, wenn viel Basisfermentationsbrühe mit relativ hohem methanogenen Potential behandelt werden soll, als auch im Kreislauf, wenn mehr Co-Substrat und wenig Basisfermentationsbrühe ohne oder fast ohne methanogenes Potential behandelt werden soll, betrieben werden. Der Prozeß ist damit an die örtlichen Gegebenheiten des Co-Substrat- und Basisfermentationsbrüheanfalles gut anpaßbar. Im Falle, daß keine Basisfermentationsbrühe aber geeignetes Co-Substrat vorliegt, muß bei Kreislaufbetrieb kaum Basisfermentationsbrühe beschafft und entsorgt werden, was zu einer erheblichen Kostensenkung und wesentlichen Erweiterung des Einsatzfeldes führt.
• 6. Ein weiterer Vorteil des Co-Fermentationsverfahrens zur Verwertung biogener Abfall-, Rest- und Rohstoffe mit Biogasgewinnung besteht darin, daß bei Verwendung von Gemischfermentationsbrühen z. B. aus Rindergülle und Co- Substraten die Methanproduktivität bis auf 700% gegenüber der Methangärung nur mit der Rindergülle ansteigt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Feststoffentlastete Rindergülle wurde als Basisfermentationsbrühe eingesetzt. Maisstärke diente als Co-Substrat. Nach Mischung der Basisfermentationsbrühe mit dem Co-Substrat wurde die Gemischfermentationsbrühe 6,8 Tage bei 20°C vorvergoren. Mit der vorvergorenen Gemischfermentationsbrühe wurde ein auf 35°C temperierter Methanreaktor quasikontinuierlich beschickt. Im stationären Zustand wurde der Methangehalt (Abb. 1), die Methanproduktivität (Abb. 2) und die Methanausbeute (Abb. 3) bestimmt. Zu Vergleichszwecken wurde ein identischer Reaktor unter gleichen Bedingungen mit Basisfermentationsbrühe, einer feststoffentlasteten Rindergülle, betrieben.

Claims (11)

1. Co-Fermentationsverfahren mit Wertstoffgewinnung für die mikrobielle Behandlung, Aufarbeitung und Verwertung biogener Abfall-Rest- und Rohstoffe, die im Zusammenhang mit der Produktion von Dienstleistungen und Wirtschaftsgütern im Bereich der Landwirtschaft, Nahrungsgüterwirtschaft, Abfallwirtschaft, Gewerbe und der Industrie anfallen, ist gekennzeichnet dadurch, daß in einem ersten Verfahrensschritt, der Vorgärung, unter definiert vorgegebenen Prozeß- und Milieubedingungen einer Basisfermentationsbrühe in einem optimalen Verhältnis spezifische Co-Substratmengen zugegeben und homogenisiert werden und aus der so entstandenen Gemischfermentationsbrühe, die einen erhöhten Anteil an methanogenen Substanzen aufweist, spontan auf natürliche Art und Weise ein kohlendioxidhaltiges Abgas austritt und dadurch in der feststoffentlasteten Gemischfermentationsbrühe nur noch ein prozeßtechnisch notwendiger Rest an Kohlendioxid verbleibt. Weiterhin ist das Verfahren gekennzeichnet dadurch, daß die Gemischfermentationsbrühe einem zweiten Verfahrensschritt, der eigentlichen Methangärung bei sich einstellenden sehr stabilen Prozeß- und Milieubedingungen, unterworfen wird, dabei entsteht kontinuierlich ein höher mit Methan angereichertes Biogas bei verbesserter Methanausbeute und gesteigerter Methanproduktivität. Unter Methanproduktivität ist die pro Zeiteinheit und Fermentervolumen gebildete Methanmenge und unter Methanausbeute die pro Gramm organische Trockensubstanz des Co- Substrates gebildete Methanmenge zu verstehen.

2. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Basisfermentationsbrühen (z. B. Güllen, Gemische von Güllen Abwässer, andere wäßrige Substrate mit geeigneter Salzfracht, die das Wachstum der Mikroorganismen stark fördern und ein hohes Löslichkeitspotential für Kohlendioxid besitzen) und als biogene Co- Substrate (z. B. Abfall-, Rest-, und Rohstoffe aus der Landwirtschaft, Abfallwirtschaft, Nahrungsgüterwirtschaft, Gewerbe und Industrie mit hohem methanogenen Potential) in fester, flüssiger, bzw. pastöser Form mit oder ohne Vorbehandlung zum Einsatz kommen.

3. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die biogenen Co-Substrate in einer Menge zwischen 0,1 und 24 Masse-% den Basisfermentationsbrühen zugegeben werden und so eine stark mit methanogenen Substanzen angereicherte Gemischfermentationsbrühe entsteht, die gut von Mikroorganismen metabolisiert werden kann.

4. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß optimale Prozeß und Milieubedingungen für die Vorvergärung der Gemischfermentationsbrühe bei Temperaturen von +0°C bis +30°C und bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von mehr als einem Tag bestehen.

5. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorvergärung ein mit mehr als 90 Vol.-% Kohlendioxid angereichertes Abgas anfällt, in der Gemischfermentationsbrühe nur noch ein Rest in Höhe von mehr als 5 Vol.-% gelösten Kohlendioxides verbleibt, so daß der Methangärungsprozeß ohne "Umzukippen" sehr stabil abläuft.

6. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Methangärprozeß bei pH-Werten höher 6,5, bei Temperaturen im mesophilen Bereich, bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von größer 2 Tagen optimal abläuft und z. B. bei der Verwendung von Gemischfermentationsbrühen aus Rindergülle und Co- Substraten die Methanproduktivität bis auf 700% gegenüber der Methangärung nur mit der Rindergülle ansteigt. Der Methangehalt, die Methanausbeute und die Methanproduktivität können sich bei Verwendung anderer Basisfermentationsbrühen ändern.

7. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß auch bei Verwertung von Co-Substraten, welche die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien Säuren bzw. reinen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen enthalten, ein Biogas mit 10 Vol.-% bis 25 Vol.-% gesteigertem Methangehalt gegenüber dem stöchiometrisch zu erwartenden Methangehalt erhalten wird. Der stöchiometrisch zu erwartende Methangehalt berechnet sich aus der Zusammensetzung eines Biogases, das bei der vollständigen Umwandlung der Co-Substrate in Methan und Kohlendioxid entstehen würde, wobei die Atombilanzen durch Addition oder Abspaltung von Wasser auszugleichen sind.

8. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die den zweiten Verfahrensschritt, die eigentliche Methangärung, verlassende ausgefaulte Gemischfermentationsbrühe im ersten Verfahrensschritt, der Vorgärung, als Basisfermentationsbrühe wieder eingesetzt und damit die Fermentationsbrühe sowohl im Durchlauf als auch im Kreislauf gefahren werden kann.

9. Co-Fermentationsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß Vorgärung und Methangärung sowohl in zwei separaten aber koppelbaren Fermentationsbehältern als auch in einem Fermentationsbehälter mit zwei vollständig getrennten Gasräumen und zwei vollständig getrennten oder gekoppelten Flüssigkeitsräumen durchgeführt werden.

10. Co-Fermentationsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Verfahren mit seinen Verfahrensschritten separat bzw. parallel in stationären oder mobilen Anlagen oder in existierenden Anlagen betrieben werden kann.

11. Co-Fermentationsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Bildung der mit methanogenen Substanzen angereicherten Gemischfermentationsbrühen in einem weiten Temperaturbereich von +0°C bis +30°C und bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von mehr als einem Tag bei wesentlicher Reduzierung des energetischen und apparatetechnischen Aufwandes für den Vorgärprozeß wirtschaftlich abläuft.