Zweistufige Biogasverfahren

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1 Zweistufige verfahren Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Busch Lehrstuhl Abfallwirtschaft Inhalt Warum wurden zweistufige Verfahren entwickelt? Funktionsweise, Bauarten Vor- und Nachteile Sinnvoller Einsatz zweistufiger Verfahren Beispiele 2 1

2 Apparate- und prozesstechnische Trennung in zwei Stufen H 2, CO 2, Substrate Fette/Öle, Eiweiße, Kohlenhydrate Biomasse Biomasse Methan (CO 2, CH 4 ) Bevorzugt: Niedriger ph-wert, meist < 6,5 Monomere Aminosäuren, Zucker, ein- und mehrwertige Alkohole etc Fettsäuren Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Essigsäure etc. H 2, CO 2, Essigsäure Bevorzugt: Neutraler oder schwach basischer ph-wert, meist 7 8,3 Hydrolyse Acidogenese Acetogenese Methanogenese Säurebildung kann den ph-wert senken bzw. zehrt Pufferkapazität Erfordert ph > ca. 6,7 bis ca. 8,3 Apparate- und prozesstechnische Trennung in zwei Stufen Prozesswasserrücklauf Hydrolysegas Substrat Maischbehälter Maische Nicht hydrolysierter Feststoff Hydrolysat Schlamm Ablauf Gärrest 2

3 Konventionelle einstufige Vergärung Input Raumbeladung OLR= 2 8 kg/(m³*d) Verweilzeit HRT >> 12 d Risiken: Gleichgewicht zwischen Säureproduktion und verbrauch wird nicht eingehalten ph nicht optimal für Hydrolyse Unvollständiger Abbau durch Verweilzeitverhalten, Sedimentation oder Aufschwimmen Hohe hydraulische Verweilzeit (> 12 d) erforderlich Wenig Einflussnahme auf den Prozess Sensibel ph gegenüber raschen Substratänderungen Niedrige Methankonzentration Gärprodukt(e) Brandenburgische Technische Universität 5 Cottbus Zweistufiger Prozess Gassplitting Hydrolysegas, vorw. CO 2 and H 2, > 70 % CH 4 Input ph < 6.5 ph Hydrolyse Hydrolysat Methanisierung Gärprodukt OLR = kg ots/(m³*d), HRT = 3 25 d OLR = 5 30 kg CSB/(m³*d), HRT = 0,75 7 d 6 3

4 Bezeichnungen Im Zusammenhang mit technologien werden heute oft die Begriffe der Stufe und der Phase verwendet. Stufe: Apparate- und prozesstechnisch definierter Reaktor für die Umsetzung von Ausgangs- oder Zwischenprodukten der Vergärung. Einstufiger Fermenter: Typische Ein-Topf -Fermenter für die Vergärung von Gülle, Maissilage etc. Alle Abbauschritte verlaufen zeitlich und räumlich parallel. Mehrstufige anlagen: Die einzelnen Abbauschritte laufen in räumlich getrennten Reaktoren zeitlich hintereinander ab. In zweistufigen Verfahren sind Hydrolyse und Methanisierung getrennt. Phase: Bezeichnet die vorwiegenden hydraulischen Eigenschaften der Ausgangs- oder Zwischenprodukte. Sind diese gut pumpfähig, so spricht man von flüssiger Phase, sind sie nicht pumpfähig, jedoch schüttfähig, so spricht man von fester Phase. 7 Vorteile zweistufiger Verfahren 1. Für die Hydrolyse und für die Methanisierung sind jeweils unterschiedliche Prozessbedingungen einstellbar (z.b. Temperatur, ph-wert, Verweilzeit, Raumbeladung). Das kann zur Erhöhung der Ausbeute, zur Verkürzung der Gesamtverweilzeit und zur Erhöhung der Methankonzentration führen. 2. Zweistufige Verfahren sind grundsätzlich steuerbar. Der Hydrolysatstrom aus der ersten Stufe wird kontrolliert der zweiten Stufe zur Methanisierung zugeführt. 3. Durch Gassplitting kann ein mit hohem Methangehalt (bis maximal ca. 80%) produziert werden. 4. Die Ströme zwischen den Prozessstufen sind manipulierbar (Entnahme von Teilprodukten, Zugabe von Additiven, Teilrückführungen, Speicherung etc.). 5. Nicht abbaubare Substratbestandteile sind frühzeitig entnehmbar. 6. Sehr hohe Stabilität und Verfügbarkeit des Verfahrens! Nachteile zweistufiger Verfahren: 1. Höherer apparativer Aufwand 2. Höherer Steuerungsaufwand 4

5 Das zweistufige, zweiphasige GICON-Verfahren Bioabfälle, NawaRo Substrat Bewässerung Perkolatrücklauf Steuerung oder Regelung der Methanproduktion % CH 4, < 200 ppm H 2S, Bewässerung Hydrolysat Füllkörper Methanreaktor Substrat Perkolatoren im Garagenverfahren Perkolat = Hydrolysat Rücklauf Flüssig- Abprodukt Festes Abprodukt zur Kompostierung Hydrolysatbehälter - Zwischenspeicher - Belüftungs- und Schönungsbecken Anlagenkonfiguration Abwasser, Flüssigdünger oder Eindampfung und Düngerproduktion Schlamm 9 Zweistufige Systeme ermöglichen die breite Nutzung der Biofilmtechnik für die Methanisierung Aufwuchskörper, feste Oberfläche Methanogene Acetogene Acidogene Vorwiegende einphasige Flüssigkeit (z.b. Hydrolysat) Stoffaustausch Biofilm Schematische Darstellung Durch den immobilisierten Biofilm ist die Entkopplung von hydraulischer und Biomasse-Verweilzeit möglich. Es können hydraulische Verweilzeiten < 1d und eine völlig neue Dimension der Stabilität erreicht werden! 10 5

6 Steuerbarkeit der produktion durch gesteuerte Zuführung des Hydrolysats in den Hochleistungsmethanreaktor Steuerbarkeit der produktion Abschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Abschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Schnelles Zuschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Langsames Zuschalten der Hydrolysatzugabe in den Methanreaktor Versuchszeit [h] 11 Wann entfalten zweistufige Verfahren ihre Vorteile? Einphasige Systeme: o Bei sich rasch ändernden Substratzusammensetzungen. o Für rasch versäuernde Substrate, die ggf. den ph-wert stark absenken können o Bei hohen Störstoffanteilen. o Für bedarfsgerechte produktion. o Zur Erhöhung der Methankonzentration. Keine oder kaum Vorteile bei langsam hydrolysierenden und gut definierten Substraten, wie Maissilage etc., da geringe oder keine Gefahr der Übersäuerung und gute Prozesskontrolle möglich. Zweiphasige Systeme ( Fest-Flüssig-Vergärung ): o Zur Entnahme von Störstoffen u. nicht abbaubaren Substraten bereits in der ersten Stufe, Verminderung der Gefahr von Prozessstörungen. o Bei stark verunreinigten Substrate (Abfallgemische), da nur selektiver Abbau der biogenen Stoffe, insbesondere bei Perkolationsverfahren. o Bei hohen Anteilen nicht abbaubarer Bestandteile, wie Landschaftspflegematerial etc. o Für bedarfsgerechte produktion. o Zur Erhöhung der Methankonzentration. 12 6

7 Grundsätzliche Überlegung zur Nutzung von Abfallstoffen und anderem, nicht-nawaro-input 100 % Trocknung bei 105 O C Veraschen bei 550 O C, 6 h flüchtige abbaubare Bestandteile Gesamte Trockensubstanz Wasser abbaubare feste oder gelöste Bestandteile, abbaubare organische Trockensubstanz Schwer- oder nicht abbaubare feste oder gelöste Bestandteile Organische Trockensubstanz Diese Anteile liefern die Hauptmenge des es (oft 5 40 % der Gesamtmasse) Ca. Glühverlust Luftfreie Pyrolyse bei 850 O C Organischer Gesamtkohlenstoff Gesamtmasse oder Frischmasse Beispielwerte 35 % 34 % 28 % 4 % Aschegehalt Aschegehalt 13 Bekannte Typen der anlagen für die Abfallvergärung Typ Volldurchmischte Fermenter Perkolationsverfahren Phasen, Stufen Einphasig, einoder zweistufig Ein- oder zweiphasig, einoder zweistufig Vertreter/Anbieter (Beispiele) BTA, AAT, Strabag, AAB, Arrowbio, Entec, Envirotec, Envitec, Schubio, AMB Haase, Biostab, Preseco etc. BEKON, Bioferm, Loock TNS, Biocel, Biopercolat, GICON, Kompoferm, etc Pfropfenstromverfahren Einphasig, einstufig Axpo Kompogas, Archea, Dranco (vertikal), Valorga, Strabag, ATB Aufstrom, ATB Schwimmbett, etc. 14 7

8 Beispiele für zweistufige Verfahren: 1. Pulper-System Bioabfall, Hausmüll Abfall Shredding Pulper Kunststoffe, Metalle, Sand, Glas Trennung Hydrolyse Methanisierung Prozesswasser (Rückführung / Entsorgung Entwässern Nachrotte Ablagerung 15 Beispiele für zweistufige Verfahren: 2. Mit mechanische Vorbehandlung Gemischter Hausmüll, Bioabfall Waste Sacköffner, Shredder Siebung, ca. 70 mm Durchgang (Organik) Anmaischen Rückstand Hydrolyse Mechanische Separation Methanisierung Entwässern Wertstoffe Inerte Reste zur Deponierung Nachrotte RDF, metals Deponierung aus Abfällen und Reststoffen 16 8

9 Beispiele für zweistufige Verfahren: 3. Perkolationssystem Abfall Bioabfall, gemischter Hausmüll Shredding Hydrolyse im Perkolationssystem Methanisierung Nachrotte Kunststoffe, Metalle Separation Ablagerung 17 Beispiele für zweistufige Verfahren: 4. MBA mit Perkolation der Feinfrakton als biolog. Stufe Abfall Bioabfall, gemischter Hausmüll Shredder Klassierung Feingut Grobgut Verwertung Kunststoffe, Metalle, EBS Hydrolyse im Perkolationssystem Methanisierung Nachrotte Ablagerung 18 9

10 Beispiele für einstufiges Verfahren: Strabag LARAN Pfropfenstromfermenter Abfall Aufbereitung Trockenfermentation Separation Bioabfall, Landschaftspflegegut etc. Störstoffauslese, Zerkleinerung, Einstellung Wassergehalt Aufbereitung zur Einspeisung Verwertung Entsorgung Aerobisierung (Stabilisierung) Sehr robustes, kontinuierliches Verfahren, bautechnisch anspruchsvoll, keine Steuerung der produktion möglich. Abbildung: earchview/2f cd72f7fc12579fe004c472e/$file/v erfahren_dry_d_v13.pdf?openelement 19 Beispiel für technologische Anpassungen: aus Restaurant- und Speiseabfällen biogenic fraction DS 24.5 ± 6 % VS 22.9 ± 1.1 % TOC 51.5 ± 6.1 % TN 2.3 ± 0.4 % Results of standard biogas test Temperature 55 o C ph start 7.6 ph end 7.8 DS degradation rate 72.0 % VS degradation rate 80.5 % biogas yield 1079 l/(kg VS) methane yield l/(kg VS) 20 10

11 Substratspezifische Hydrolyse kann die Ausbeute erhöhen! (Methanisierung im ASBR*) input Hydrolysis gas filling Settling Hydrolysis as CSTR, methanation as ASBR overflow Residues + sludge Hydrolysis gas hydrolysis HRT 3 d 3.5 d VS degradation rate 67 % 90 % methanation Methane yield l/(kg VS) Ratio (actual/maximum) 53 % Both at thermophilic conditions hydrolysis methanation HRT 2 d 3.5 d VS degradation rate 75 % 90 % input Methane yield l/(kg VS) Ratio (actual/maximum) 85 % Hydrogen yield 179 l/(kg VS) filling Settling Settling residues Both hydrolysis and methanation as ASBR overflow excess sludge * ASBR: Anaerobic Sequencing Batch Reactor Hydrolyse durch Perkolation, Methanisierung im ASBR Hydrolysis gas input overflow Hydrolysis residues filling Settling excess sludge Both at thermophilic conditions hydrolysis methanation HRT 3 d 3.4 d VS degradation rate 71 % 90 % Methane yield l/(kg VS) Ratio (actual/maximum) 90 % 22 11

12 (notwendige) Entwicklung in der technik Erhöhung des Verwertungsgrades biogener Abfälle Erweiterung des Substratspektrums Erhöhung der Ausbeute Erhöhung der Produktqualität Verwertung der Gärprodukte - Technologieanpassung an das Substrat - Substrat-anpassung an die Technologie (Vorbehandlung) - Technologieoptimierung - Substratvorbehandlung - Substratnachbehandlung - Stoffgewinnung - Erhöhung der Methankonzentration - Vermeidung von Methanschlupf - Geringer Stör- und Schadgasgehalt - Humusreproduktion - Thermische Verwertung - Aufbereitung, Rückführung - Düngerproduktion In der weiteren Entwicklung müssen anlagen komplexer werden und mehr Produkte bereitstellen. Erhöhung der -(Methan-)ausbeute Bedarfsgerechte Methanproduktion im Energiemix Methan (-anreicherung) mit nicht-organischen Substraten Lignozellulosen zurück in den Boden zur Humusreproduktion Rückgewinnung von Nährstoffen (P, N, S) und Spurenelementen Recycling / Verwertung der Störstoffe (Kunststoffe, Metalle) Gewinnung von chem. Grundstoffen (Bioraffinieriekonzept) 23 Zeitschiene der technik Gülle Gülle und Ko- Substrate Einstufige Prozesse Energiepflanzen Kommunale und industrielle Abfälle Biofilmtechnik, zugeschnittene Verfahren Zwei- und mehrstufige Prozesse Kohlendioxid und Wasserstoff

13 Bioabfallvergärungsanlage in Richmond, Canada Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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