DE3326879A1

DE3326879A1 - Biogasreaktor

Info

Publication number: DE3326879A1
Application number: DE19833326879
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. 8047 Karlsfeld Märkl
Original assignee: Individual
Current assignee: MAERKL, HERBERT, DR.-ING., 2105 SEEVETAL, DE
Priority date: 1983-07-26
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3326879C2

Description

Biogasreaktor
Die Erfindung betrifft einen Biogasreaktor, dessen Gehäuse mehr oder weniger mit Biomasse gefüllt und oben durch mindestens einen kegel- oder prismaförmigen Trichter abgeschlossen ist, der unten eine weite Öffnung für den Trichter-Innenraum zum Sammeln der aus der Gärsuspension aufsteigenden Gase und oben eine enge Öffnung zum Ableiten der gesammelten Gase aufweist.
Derartige Biogasreaktoren sind bereits bekannt (vgl. Zeitschrift Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXII, April 1980, Seiten 699-734, insbesondere Seite 701, Fig. ld und Seite 729 Fig. 9).
Im Bereich der Vergärung dünnflüssiger Abwässer niedriger bis mittlerer Konzentration (1500 - 20 000 mg/l CSB) hat sich in den letzten Jahren der Typ Upflow-Reaktor durchgesetzt, in dem eine Belastung von bis zu 40 kg CSB/m3d verarbeitet werden kann. Vor allem für die Beseitigung von Abwässern der Zuckerindustrie kommen solche Reaktoren in jüngster Zeit zunehmend zum Einsatz, doch scheint langfristig auch die Anwendung für die direkte Reinigung kommunaler Abwässer im Bereich des Möglichen. Das Funktionieren des Prinzips dieses Reaktors, Anreicherung von aktiver Biomasse durch Sedimentation, setzt einerseits die Existenz sedimentierenden Schlammes voraus, andererseits darf die Menge des als Endprodukt gebildeten Biogases (CH4 und CO2) ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, da sonst aktive Biomasse trotz bester Sedimentationseigenschaften aus dem Reaktionssystem ausgetragen wird. Hieraus ergeben sich gewisse Limitationen für die technische Ausbildung des Reaktors sowie für die Substratkonzentration: 1.) Da mit zunehmender Höhe des Reaktors die -bezogen auf die Grundfläche des Reaktors - produzierte Gasmenge zunimmt, ist die Reaktorhöhe nach oben begrenzt. Bis heute sind Reaktoren nur bis zu einer Gesamthöhe von 6,5 m bekannt (P.M. Heertjes and L.J. Kuijvenhoven 1982, Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXIV, 1982, Seiten 443-459, insbesondere Seite 444). Bei sehr großen Reaktionsvolumina bedingt diese Einschränkung einen großen Platzbedarf, der gerade in der Nahrungsmittelindustrie bzw. bei der pharmazeutischen Industrie nicht immer vorhanden ist. Im übrigen nimmt bei Vergrößerung der Reaktoren die gegen Wärmeverlust zu isolierende Oberfläche gegenüber kompakten Anordnungen stärker zu.
2.) Die Vergärung von extrem hochbelasteten Substraten (Beispiel Molke:BSB = 60.000 mg/l)ist nach eigenen Erfahrungen in konventionellen Upflow-Reaktoren nur begrenzt möglich. Die hierbei erreichten hohen Gasproduktionsraten führen zum Austrag aktiver mikrobieller Masse und damit zum Zusammenbruch des Umsatzgeschehens.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Biogasreaktoren zu vermeiden.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.
Das bedeutet, daß mit Hilfe des Anmeldungsgegenstandes a) Biogasreaktoren geschaffen werden können, die extrem hohe Gasbildungsraten ermöglichen, ohne daß ein Austrag aktiver Biomasse zu befürchten ist, b) beliebig große Bauhöhen der Biogasreaktoren möglich sind.
Als weiterer Stand der Technik sind nun aber auch Biogasreaktoren zu beachten, die in der Europa-Patentschrift 0012476 dargestellt und beschrieben sind. Daraus ist ein Biogasreaktor bekannt,bei dem eine Verbesserung der Sedimentation aktiver mikrobieller Masse durch mehrere hintereinander geschaltete und übereinander angeordnete Sedimentationsräume angestrebt wird. Das anfallende Gas wird durch ringförmige Einbauten nach außen geleitet und zunächst in mehreren nach unten geöffneten kreisförmigen Rinnen, die übereinander angeordnet sind, gesammelt.
Die überlaufenden Sammelrinnen geben ihrerseits das Gas in einen konzentrisch um die Sedimentationsräume angeordneten Gassammelraum ab. Die aufsteigenden Gasblasen gelangen schließlich in den Kopf des Reaktors, von wo das Gas einer Verwertung zugeführt wird.
Verglichen mit dem Anmeldungsgegenstand hat dieser bekannte, sich schon in seinem Aufbau vom Anmeldungsgegenstand stark unterscheidende Biogasreaktor einige wesentliche Nachteile: a) Die in jeder einzelnen Sedimentationsstufe angeordneten Schlammauslaßöffnungen 11 werden (aller experimentellen Erfahrungen.nach) zum Verstopfen neigen, da die Strömung der zu vergärenden Suspension dem Schlammstrom nicht gleich, sondern entgegen gerichtet ist.
b) Die Vorrichtung ist nur für die Vergärung von dünnflüssigen wässrigen Medien geeignet, da die zu vergärende Suspension nur mit geringem hydrostatischen Druck durch die Reaktor anordnung gefördert werden kann. Eine Erhöhung des hydrostatischen Druckes, etwa durch eine Erhöhung der Förderleistung der Zulaufpumpe, führt zum Überlaufen des äußeren Ringraumes direkt in die innen liegende Sedimentationsstufe. Auf diese Weise werden Zu- und Ablauf direkt verbunden.
c) Das unter b) beschriebene Überlaufen des äußeren Ringraumes tritt auch bei starker Gasproduktion auf, da hierdurch die spezifische Dichte des darin befindlichen Flüssigkeits-Gas-Gemisches ab- und die hydrostatische Höhe zunimmt.
Auf den beigefügten Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen kegelförmigen Doppelrichter für sich in einem Biogasreaktorgehäuse; Fig. 2 eine erfindungsgemäße Trichterausbildung mit mehreren neben- und übereinander angeordneten prisma-förmigen Trichtern; Fig. 3 ein Biogasreaktorgehäuse mit 3 übereinander angeordneten kegelförmigen Doppeltrichtern; Fig. 4 ein Biogasreaktorgehäuse m;t beispielsweise 7 übereinander angeordneten kegelförmigen Doppeltrichtern und mit mehreren nur einigen Doppeltrichtern zugeordneten Gas-Abfuhrleitungen mit Drosselventilen.
Fig. 5 ein Biogasreaktorgehäuse mit den einzelnen Doppeltrichtern zugeordneten Böden Fig. 6 eine praktisch erprobte Ausführung Der in l'ig.1 dargestellte in einem Biogasreaktorgehäuse 1 angeordnete erfindungsgemäße kegelförmige Doppeltrichter besteht aus einem Außentrichter 2 und einem Innentrichter 3, die in nicht näher dargestellter Weise in dem zylindrischen Gehäuse 1 fest angeordnet sind, In dem Gehäuse 1 ist Biomasse enthalten, aus der infolge der Gärung Gasblasen 5 zur freien Oberfläche 6 aufsteigen, über der dieses in Blasenform aufsteigende Biogas in einem nach oben hin geschlossenen Gasraum 7 des Innentrichters 3 aufgefangen wird. Dieser Gasraum 7 kann rotationssymetrisch als Kegel oder bei größeren Reaktoreinheiten als langgestrecktes Dreiecksprisma (auch in mehreren Reihen angeordnet, vgl. Fig.2) ausgeformt sein. Der Gasraum 7 läuft, wenn er voll ist, an den Kanten 8 über; dort wird das überströmende Gas von den überstehenden Kanten 9 des Außentrichters 2 aufgefangen und in dem freien Zwischenraum 10 zwischen den beiden Trichtern 2 und 3 nach oben zur Ausgangsöffnung 11, weitergeleitet. Auf diese Weise wird ein darüberliegender turbulenzarmer Raum 13 mit günstigen Sedimentationsbedingungen erzeugt.
Die aus einer Ausgangsöffnung (Rohrausgang 11) aufsteigenden Gasblasen werden in dem Gasraum des darüber angeordneten Doppeltrichters aufgefangen und von dort in entsprechender Weise weitergeleitet.
Mit den Gasblasen werden aber auch Biomasse-Schlammteilchen mitgerissen, die jedoch nach dem Austreten der Gasblasen -aus dem Rohrausgang 11 in einen durch die Innenwand des Gehäuses 1 und durch die Außenwand des Außentrichters 2 gebildeten Raum, den Sedimentationsraum 13, zurücksinken und dort sedimentiert werden.
Der im Sedimentationsraum 13 sich bildende über schüssige Schlamm kann an den Kanten 9 des Außentrichters 2 in den darunterliegenden Raum abfließen.
Ein Verstopfen dieser kreisringförmigen Schlammabf lußöffnung 14 ist nicht zu befürchten, da die Schlammbewegung durch eine gleichgerichtete Strömung des im Sedimentationsraum 13 zu vergärenden Mediums unterstützt wird. Diese dort im Kreislauf geführte Flüssigkeitsströmung wird durch die im Innern des Doppeltrichters aufsteigenden Gasblasen angetrieben.
Nahe unterhalb der Spaltöffnung 14 ist an der Gehäuse-Innenwand ein Leit-Ring 15 vorgesehen, der die aufsteigenden Gasblasen am Eintreten in die Spaltöffnutng 14 hindert und in Richtung auf den Gas-Sammelraum 7 des zugehörigen Innentrichters 3 leitet.
Bei der in Fig.2 gezeigten Anordnung sind die wie bei Fig.1 je aus einem oben geschlossenen Innentrichter und einem mit einer Ausgangsöffnung 18 oben offenen Außentrichter bestehenden Doppeltrichter 16 prisma-förmig ausgebildet und in einem Gehäuse 17 zu mehreren nebeneinander und mit Abstand übereinander untergebracht. Wie bei der Fig. bestehen zwischen der Wand des Gehäuses 17 bzw. den Außenwänden benachbarter Doppeltrichter und den Außenwänden der Außentrichter Sedimentationsräume 19 bzw. 20, die über Spaltöffnungen 21 bzw. 22 mit den darüberliegenden Räumen in Verbindung stehen und das Absinken der sedimentierten Schlammteilchen ermöglichen. Entsprechend der Prisma-Bauart der Doppeltrichter sind unterhalb der Kanten der Außentrichter Leit-Leisten 23 bzw. 24 vorgesehen, die die aufsteigenden Gasblasen 25 am Eintreten in die Spaltöffnungen 21, 22 hindern und in Richtung auf die Gas-Sammelräume 26 der zugehörigen Innentrichter leiten.
Eine weitere Variante des Anmeldungsgegenstandes zeigt die Fig.3. Hier sind in einem zylinderförmigen Gehäuse 27 mit Abständen voneinander beispielsweise 3 kegelförmige Doppeltrichter 28 übereinander angeordnet. Am unteren Teil des Gehäuses 27 ist ein Substrat-Zulauf 29 vorgesehen und am oberen Teil ein Substrat-Ablauf 30. Die entstandenen Gase, z.B.
CH4, CO2, werden durch eine Öffnung 31 im Deckel 32 des Gehäuses abgeführt. Ein Großteil des im unten liegenden Schlammbett entstandenen Gases wird bereits durch den untersten Doppeltrichter direkt am Entstehungsort aufgefangen. Die darüberliegenden Elemente sammeln Gas, das durch in der Gärsuspension suspendierte Mikroorganismen gebildet wurde. Auf diese Weise entsteht durch die Sedimentationsräume 34 ein verhältnismäßig großer turbulenzarmer Bereich, so daß sich die Sedimentation aktiver Biomasse und damit das Rückhaltevermögen des Reaktors für Mikroorganismen wesentlich gegenüber der bisher üblichen Anordnung verbessert. Damit wird auch ein Betrieb mit Mikroorganismen möglich sein, deren Sedimentationseigenschaften in der konventionellen "upflow"-Anordnung nicht mehr ausreichen würden.
Für relativ hochkonzentrierte Substrate (CBS>30.0O0 mg/l), bei deren Vergärung große Gasproduktionsraten auftreten, ist eine noch dichtere Anordnung der Begasungselemente (Hochleistungsreaktor) gemäß Fig.4 sinnvoll.
Von jedem einzelnen Element 36 geht eine gewisse Rührwirkung (Mammutpumpeneffekt) aus, die zu einer sehr gleichmäßigen Versorgung der beteiligten Mikroorganismen führt. Um jedoch zu hohe Gasdurchsätze in den oberen Teilen des Reaktors zu vermeiden, kann eine bestimmte konstante Gasmenge (kleinere Gasmenge als tatsächlich erzeugt wird) in verschiedenen Stufen nach außen über je ein Drosselventil 37 abgeführt werden. Der Gasdurchfluß durch das Drosselorgan kann auch geregelt werden. Hierbei wird die freie Flüssigkeitsoberfläche tber-einen Flüssigkeitsstandfühler abgetastet. Bei Ansteigen der Flüssigkeitsoberfläche wird der Gasdurchfluß so verringert, daß die Flüssigkeitsoberfläche in einer Höhe eingeregelt wird, so daß der Innentrichter 48 gerade nicht mehr überläuft. Wie bei Fig.3 ist ein Substratzulauf 38, ein Substratablauf 39 und eine Gas-Ableitung 40 für z.B. CH4, CO, vorgesehen.
In Fällen, in denen mit einer hohen Sedimentationsneigung der aktiven Mikroorganismen (anaerober Schlamm) zu rechnen ist, ist die Einführung von Zwischenböden 41 angezeigt, auf denen der Schlamm in jeder einzelnen Stufe gehalten wird (vgl. Fig.5). Die Zwischenböden sind so gestaltet, daß von unten nach oben strömende Gase und Flüssigkeiten durchgelassen werden, jedoch die sedimentierenden Schlammteilchen am Durchtritt nach unten gehindert werden. Diese Anordnung dürfte auch bei sehr großen Bauhöhen zweckmäßig sein, da in diesem Fall eine gleichmäßigere Verteilung des aktiven Schlammes über die Reaktorhöhe gewährleistet werden kann.
Als Ausführungsbeispiel wird in Fig.6 eine Laboranlage gezeigt. Das zylindrische Gehäuse 49 hat einen Innendurchmesser von 150 mm. Die 5 Doppeltrichter sind an einem durchgehenden Rohr 42 mit 20 mm Durchmesser im Abstand von 500 mm übereinander angeordnet. Das Rohr ist in Scheitelhöhe 44 der Innentrichter in axialer Richtung verschlossen.
De#Trichter-Zwischenraum 46 führt zu radialen Einlauföffnungen 43 im Rohr. 42. Radiale Auslaßöffnungen 45 im Rohr befinden sich im Bereich des Gassammelraumes 50 des Innentrichters.
Die zu vergärende Flüssigkeit wird im untersten Teil des Rohres zugeführt 51 die Verteilung erfolgt über radiale Öffnungen 52 unterhalb eines Verschlusses 53. Die Flüssigkeit wird bei 55 abgeführt, das Gas verläßt den Apparat am Reaktorkopf bei 56.
Literatur Lettinga, G. A.F.M. van Velsen, S.W. Hobma, W. de Zeeuw and A. Klapwijk: Use of the Upflow Sludge Blanket (USB) Reactor Concept for Biological Wastewater Treatment, Especially for Anaerobic Treatment.
Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXII (1980), pp. 699/734.
Heertjes P.M. and L.J. Kuijvenhoven: Fluid Flow Pattern in Upflow Reactors for Anaerobic Treatment of Beet Sugar Factory Wastewater.
Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXIV (1982), pp. 443/459.
- Leerseite -

Claims

Patentansprüche g Biogasreaktor, dessen Gehäuse ganz oder teilweise mit aktiver Biomasse gefüllt und oben durch mindestens einen kegel- oder prisma-förmigen Trichter abgeschlossen ist, der unten eine weite öffnung für den Trichter-Innenraum zum Sammeln der aus der Gärsuspension aufsteigenden Gase und oben eine enge Öffnung zum Ableiten der gesammelten Gase aufweist, dadurch gekennzeichnet ~daß a) jeder Trichter als Doppeltrichter (Fig.1) ausgebildet ist derart, daß zwei formgleiche, aber in ihren Abmessungen unterschiedliche Trichter so ineinander angeordnet sind, daß ein freier Zwischenraum (10) zwischen dem Außen-Trichter (2) und dem Innen-Trichter (3) besteht, daß aber der Innen-Trichter (3) oben keine Öffnung aufweist und somit den Gas-Sammelraum (7) für die aus der Gärsuspension aufsteigenden Gase (5) bildet, und b) in dem Gehäuse (1) des Biogasreaktors mindestens zwei der vorgenannten Doppeltrichter in Abstand voneinander übereinander angeordnet sind (Fig.2-5).
2.) Biogasreaktor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet ~daß bei Verwendung von prisma-förmigen Doppeltrichtern (16) mindestens zwei Doppeltrichter nebeneinander oder mindestens zwei Doppeltrichter übereinander angeordnet sind (Fig. 2).
3.) Biogasreaktor nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (9) des Außen-Trichters (2) gegenüber denen des Innen-Trichters (3) so weit vorgezogen sind, daß die bei voller Füllung des Gas-Sammelraumes (7) über die Kanten (8) des Innen-Trichters (3) überlaufenden Gase von dem Außen-Trichter (2j aufgefangen werden und durch den Zwischenraum (10) zwischen den beiden Trichtern nach oben zu einem offenen Rohrausgang (11) geleitet werden.
4.) Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ~daß der Rohrausgang (11) des Außen-Trichters (2) derart ausgebildet ist, daß die aus ihm ausströmenden Gase in den Gas-Sammelraum des darüber angeordneten Doppeltrichters gelangen.
5.) Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ~daß die Doppeltrichter von einem Rohr (42 in Fig.6) getragen sind, das in radialer Richtung Öffnungen (43) aufweist und in axialer Richtung am Scheitel jedes Innen-Trichters (44) verschlossen ist, und daß mindestens eine Öffnung (45) im Gas Sammelraum (7) und eine Öffnung (43) im Trichter-Zwischenraum (10) vorhanden ist.
6,) Biogasreaktor nach den Patentansprtchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet ~daß durch die Innenwand des Biogasreaktorgehäuses (1) und durch die Außenwand jedes Außen-Trichters (2) ein gasblasen-armer Sedimentationsraum (13) gebildet ist, in dem die aktiven Biomasse-Schlammteilchen sedimentieren können.
7.) Biog«reaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet ~daß zwischen der Innenwand des Biogasreaktorgehäuses (1) und der Kante (9) des Außen-Trichters (2) eine solche Spaltöffnung (14) vorgesehen ist, daß die im Sedimentationsraum (13) abgesetzten Schlammteilchen durch diese Spaltöffnung in den darunterliegenden Raum gelangen.
8.) Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ~daß nahe unterhalb der Spaltöffnung (14) an der Gehäuse-Innenwand ein Leitring (15) vorgesehen ist, der die aus der Gärsuspension aufsteigenden Gasblasen (5) am Eintreten in die Spaltöffnung (14) hindert und in Richtung des zugehörigen Doppeltrichters leitet.
9.) Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet ~daß bei Biogasreaktoren mit mehreren übereinander angeordneten Doppeltrichtern bei einigen dieser Doppeltrichter in den Gas-Sammelräumen Öffnungen (47) von Leitungen vorgesehen sind, die das Abführen von Gasmengen ermöglichen (Fig.4).
10.) Biogasreaktor nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet ~daß in den das Abführen von Gasmengen ermöglichenden Leitungen Drosselorgane (37) vorgesehen sind, die den abfließenden Gasstrom so begrenzen, daß er kleiner ist als die tatsächlich erzeugte Gasmenge.
11.) Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet ~daß bei Biogasreaktoren mit mehreren übereinander angeordneten Doppeltrichtern der gegenseitige Abstand der Doppeltrichter bei höherer volumenbezogener Gasbildungsrate kleiner ist als bei geringer Gasbildungsrate (Fig.4).
12.) Biogasreaktor nach den Patentansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet ~daß in den Sedimentationsräumen Böden (41 in Fig.5) vorgesehen sind, die für von unten nach oben strömelde Gase und Flüssigkeiten durchlässig sind, jedoch die sedimentierten Schlammteilchen am Durchtritt nach unten hindern.