Das zweistufige Trocken-Naß- Vergärungsverfahren

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1 Das zweistufige Trocken-Naß- Vergärungsverfahren Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Busch Dipl.-Ing. Marko Sieber Lehrstuhl Abfallwirtschaft Brandenburgische Technische Universität Cottbus Substrate für konventionell erschließbar mit neuen Verfahren Klärschlamm Gülle NawaRo biogene Abfälle Industrieabfälle Abwässer etabliert vorzugsweise als Co-Vergärung Mittels herkömmlicher -Technologien i.d.r. schwer beherrschbar. Vergärung von Monosubstraten NawaRo in der Einführung Verfahrenstechnische Probleme: Energieaufwand, Schwimmschichten, Innoculation, Stabilität, Ertrag... aber: hohes Potential für die Erzeugung von! (Aerobtechnik contra Anaerobtechnik?)

2 Systemnachteile der bekannten erzeugung (Vergärung fester Substrate) Naßverfahren Vergärung im heterogenen 3-Phasen-System verfahrenstechnisch schwierig beherrschbar erheblicher Energieaufwand zur Aufrechterhaltung der Homogenität der Mischung erforderlich einheitliche hydraulische Verweilzeit des Reaktorinhaltes keine systematische Verbesserung der Stabilitätsund Steuerungsprobleme erreichbar suboptimale Bedingungen für Biozönosen Flüssigkeit, Feststoff, Gas Schwimm- und Sinkschichten, Erhöhung der Scheinviskosität keine spezifische Verweilzeit bei unterschiedlichen Substraten möglich Gleichgewicht zw. Säureproduktion und -verbrauch bestimmt Stabilität Schergradienten! Trockenverfahren Nährstoffmangel bei reinen NawaRo- Verfahren ohne Prozesswasserrückführung! Semi-Trockenvergärung beginnt sich zu etablieren, vermutlich sehr zukunftsträchtig wegen Nutzung nachwachsender Rohstoffe Nährstoffinventar reiner NawaRo zu gering für optimale Versorgung der Mikroorganismen! hohe Inokulationsraten für stabile Betriebszustände erforderlich Reine Trockenvergärung ist über das Versuchsstadium im technischen Maßstab noch nicht hinaus gekommen Kombination von trockener Hydrolyse und nasser Methanisierung Stufen der Vergärung Hydrolyse Methanisierung bioverfügbare Stoffe: Kohlenhydrate Fette Eiweiße H 2, CO 2, Essigsäure Propionsäure, Buttersäure, Alkohole, andere org. Verbindungen H 2, CO 2, Essigsäure Bakterienmasse Bakterienmasse Bakterienmasse Methan, CO 2 Fermentative Bakterien Acidogene Bakterien Acetogene Bakterien Methanogene Bakterien Abbau fester, biologisch abbaubarer Stoffe durch die Wirkung von Enzymen (=Biokatalysatoren!)

3 Methodische und apparative Lösung 1. Strenge prozess- und apparatetechnische Trennung der Hauptprozesse Hydrolyse Hydrolyse bzw. Versäuerung im heterogenen Zwei-Phasen-System Methanisierung Methanisierung im getrennten Reaktor 2. Erhöhung der Verweilzeit der Hauptprozesspartner Erhöhung der Wirkungsdauer bzw. Minderung des Austrags der Enzyme und Hydrolysebakterien durch bestimmte Schaltungsvarianten Erzeugung eines stabilen Biofilms durch Immobilisierung der Biozönose auf festen Oberflächen (Füllkörpern) 3. Schwach aerobe, offene Fahrweise der Hydrolyse Unterdrückung der Methanbildung, Abführung von CO 2, Erhöhung des ots Abbaus, Unterdrückung der H 2 S-Bildung Hohe Methankonzentration von > 70 % im, niedrige H 2 S- Konzentration << 200 ppm 4. Vermeidung von Mischen, Rühren, Umwälzen usw. Hydrolyse bzw. Versäuerung im Perkolations- oder Einstauverfahren, integrierte Feststoffabtrennung, dadurch feststofffreies Hydrolysat Förderung und Nutzung der Biozönose im Biofilm durch extrem niedrige Wandschubspannungen bzw. schleichende Pfropfenströmung 5. Umsatzerhöhung, optimale Nährstoffversorgung Kreislaufführung von Prozesswasser, Optimierung des Rücklaufverhältnisses Die Grundidee des Verfahrens läßt sich erfolgreich auf fast alle Arten von Substraten anwenden! Zweistufiges verfahren mit offener Hydrolyse, immobilisierten Methanbakterien etc. Für Feststoffe (NawaRo, Bioabfälle) Für Suspensionen biogener Stoffe (Schlachtabfälle, Ölpresskuchen usw.) Für BSB-reiche Flüssigkeiten (Industrieabwässer, Glyzerinwasser) Hydrolyse: Perkolations- oder Einstauverfahren Hydrolyse: Ein- oder mehrstufiger Rührbehälter mit Abtrennung und Rückführung des Feststoffes Hydrolyse: Mittels immobilisierter Hydrolysebakterien im Festbett Methanreaktor in einheitlicher Bauweise: Immobilisierte Methanbakterien auf Füllkörpern

4 Bioabfälle, NawaRo Substrat Bewässerung Perkolatrücklauf Steuerung oder Regelung der Methanproduktion % CH 4, < 200 ppm H 2 S, 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 Modifikation der Konfiguration für die Vergärung von feindispersen Nebenprodukten Feststoffrückführung Schlachtabfälle, Getreideabfälle, Kleie, Ölpresskuchen CO 2 CO 2 CSTR 1 CSTR 2 FBR Bogensieb Feststoffausschleusung Hydrozyklon P 3 entfrachtetes Abwasser, Output Kreislaufwasser optional 1. Hydrolysestufe 2. Hydrolysestufe Methanstufe

5 Vergärung von flüssigen Nebenprodukten, hier: Glyzerinabwasser aus der Biodiesel-Produktion Rohglyzerin 50-85% Glyzerin, CSB = mg/l, 780 l/(l Reinglyzerin) CH 4 = % Mischbehälter R 1 (Belüftung) L 1 CO 2 CO 2 R 2 L 2 FB 1 Schlaufenreaktor FB 2 Plug-flow FB 3 P 1 P 2 P 3 Prozesswasser P 4 entfrachtetes Abwasser, Output * wenn keine Neutralisation mit Schwefelsäure stattgefunden hat 1. Hydrolysestufe 2. Hydrolysestufe Methanstufe Sytematische Darstellung der Eigenschaften Beschreibung ausgewählter Eigenschaften des zweistufigen Fest-Flüssig-verfahrens Prozessstabilität Steuerbarkeit der Gasproduktion offene Fahrweise der Hydrolyse Auswirkungen der Rückführung von Prozesswasser Getrennte Optimierung von Hydrolyse und Methanstufe Gleichstromgekoppelte Fahrweise der Hydrolyse Alter bzw. Nährstoffinventar des Prozesswassers

6 Beobachtete Phänomene und ableitbare prozesstechnische Vorteile Prozessstabilität der Methanstufe (immobilisierte Biozönose) Beobachtungen Interpretation kein Prozessversagen der Methanstufe Methanstufe akzeptiert Hydrolysat mit einem CSB von mg/l und Propionsäurekonzetration von mg/l (sogar in thermophiler Fahrweise!) nahezu vollständiger CSB-Abbau nach Verweilzeit von nur h einmalige Durchströmung als Plug-flow; Schleichströmung hoher spezifischer Gasertrag von 8-10 m³/m³ mit Steigerungspotential um 100 % mehrfach höhere Populationsvielfalt in den Biozönosen des Biofilms als im herkömmlichen einstufigen reaktor, dadurch höhere Anpassungsfähigkeit * Ausbildung eines stabilen, hocheffektiven Biofilms aus einer Biozönose von acidogenen, acetogenen und methanogenen Mikroorganismen in einer Schichtung, bei der die Methanbakterien zuverlässig gegen den direkten Säureangriff geschützt sind. Vermeidung der mechanischen Zerstörung dieses Biofilms durch die Vermeidung von lokalen Turbulenzen bzw. Schergradienten Empfehlung: Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von Biozönosen in Biofilmen und technische Nutzung der Phänomene! * Untersuchungsergebnis des ATB, Dr. Klocke Biozönose nach dem Flocken- oder Pellet- Modell Biozönose im Biofilm acidogene Bakterien H 2 Methanbildner Hypothese: Der Biofilm ist Bestandteil der Strömungsgrenzschicht, daher wird die mechanische und somit auch die biochemische Stabilität der Biozönose von der Strömung beeinflußt. CH 4 Niedrige Re-Zahlen ( Re = *) CO 2 erhöhen die Leistung und Stabilität des Methanreaktors! CH 4 CO 2 CH 3 COOH H 2 acetogene Bakterien Fettsäuren gelöste Substrate * Re = 5 für d hydr = 0,015 m v = 0,0005 m/s D = 1000 kg/m³ 0 = 0,0015 N*s/m²

7 Steuerbarkeit der produktion Abschalten der Substratzugabe in den Methanreaktor Abschalten der Substratzugabe in den Methanreaktor Schnelles Zuschalten der Substratzugabe in den Methanreaktor Langsames Zuschalten der Substratzugabe in den Methanreaktor Versuchszeit [h] Optimierung von Hydrolysis und Methanisierung: Gesamtausbeute ergibt sich als Produkt der Hydrolysatausbeute und der Umwandlungsrate der Methanstufe! Prozesswasser-Rückführung Maissilage m ots Hydrolyse feste Rückstände Hydrolysat m CSB Methanstufe flüssige Abprodukte (Methan) V CH4 Einstufige anlage: potentielle Umsatzrate von Hydrolysat zu sollte höher sein als die Umsatzrate von ots in Hydrolysat. V& m& CH ots = m& m& V CH4 m ots CSB, gen. ots V& * m& CH 4 4 CSB, verbr. Zweistufige anlage: Wegen der Steuerbarkeit und der höheren Stabilität kann der Arbeitspunkt nahezu ideal eingestellt werden.

8 Schwach aerobe Fahrweise der Hydrolyse Die offene Fahrweise der Hydrolyse ist technisch einfacher als die geschlossene Fahrweise! Zielstellungen - Konstruktive Vereinfachungen - Unterdrückung der Methanbildung in der Hydrolyse durch O 2 und hohes Säurepotential - Oxidation des Schwefels zu Sulfat - Ausschleusung des in der Hydrolyse gebildeten Kohlendioxids, dadurch Erhöhung der Methankonzentration im - Höherer ots-abbau des Substrats Technische Lösung - Verwendung offener Speicher - Keine geschlossenen Perkolatoren - Bei Bedarf zusätzliche Belüftung der Speicher Ergebnis - Hohe CO 2 -Produktion in der Hydrolyse (ca. 50 % des insgesamt gebildeten CO 2, Konzentration > 80 %) - geringe Methankonzentration < 6 % ab ca Tag Methanfracht aus der Hydrolyse < 1 % der Gesamtmenge CH 4 Rückführung des Prozesswassers Substrat Bewässerung Perkolatrücklauf Steuerung oder Regelung der Methanproduktion % CH 4, < 200 ppm H 2 S, 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 Einfluß der Alters des Prozesswassers* Freisetzung von CSB aus der Biomasse altes Prozesswasser ** junges Prozesswasser Frischwasser (g CSB) / (kg TS Silage) Mit altem Prozesswasser wurde lediglich 10 Tage perkoliert, mit Frischwasser und jungem Prozesswasser jeweils 14 Tage * Altes Prozesswasser enthält eine Vielzahl Bakterien, Enzyme, Nährstoffe und Spurenelemente, die durch die Kreislaufführung angereichert sind Abbauraten bei der Hydrolyse von Marktabfällen 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Versuchstag Zellinhaltsstoffe Hemizellulose Zellulose Lignin Gesamtabbau

10 Abbauraten bei der Hydrolyse von Maissilage 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Versuchstag Zellinhaltsstoffe Hemizellulose Zellulose Lignin Gesamtabbau Kumulativer CSB des Hydrolysats von Maissilage Gesamtproduktion: 1261 g/kg ots(input) Reaktor 1: 691 g/kg ots(input) Reaktor 2: 570 g/kg ots(input) Versuchstag Reaktor 1 Reaktor 2 Nach zehn Tagen noch kein Begrenzung der Abbaurate

11 Kumulativer CSB des Hydrolysats von Marktabfällen Gesamtproduktion: 2180 g/kg ots(input) Reaktor 1: 721 g/kg ots(input) Reaktor 2: 1459 g/kg ots(input) Versuchstag Reaktor 1 Reaktor 2 Nach 2 Tagen bereits mehr als 50 % Abbau! Synergien mit Klärwerksbetrieb, Projekt in der Umsetzung mit EURAWASSER GmbH Primärschlamm Sekundärschlamm Anlagenschema der Faultechnik des Klärwerkes Cottbus, Auslastung ca. 40 % Mischbehälter Mischschlamm Projektidee > Infrastruktur, Ausrüstung für produktion vorhanden > Aufgrund geringen Abwasseranfalls kann noch nicht einmal der eigene Energiebedarf gedeckt werden. > Kombination der abgekoppelten Hydrolyse mit dem Klärwerksbetrieb kann zur Vollauslastung der Faultürme und BHKW führen Faulturm 1 Faulturm 2 (Nachklärer) 2 Faultürme, jeder m³

12 Eine Fermenter wird aus dem Klärwerksbetrieb genommen und wird als Schlammbettreaktor für die Methanisierung des Hydrolysats betrieben Bewässerungssystem Faulturm, m³ Maissilage Überschusswasser Bewässerungssystem Maissilage 3 Perkolatoren, jeder ca. 250 m³ Hydrolyserückstände zur Mischung mit Klärschlamm und Verbringung auf Anbauflächen Perkolat = Hydrolysat offener Hydrolysatpuffer Hydrolysat Überschussschlamm Wirtschaftlich sinnvollste Variante: Nutzung eines der beiden Faultürme als Schlammbettreaktor und Einsparung des Methanreaktors Rückführung von Prozesswasser PS SS Mischschlamm Bewässerung Mischbehälter Substrat Bewässerung 2 Faultürme, je ca m³ Volumen Substrat Betrieb als Schlammbettreaktor Prozesswasserrückführung Schlammbettreaktor (Faulturm 2) Perkolatoren Perkolat = Hydrolysat Hydrolysat Hydrolysatbehälter - Zwischenspeicher - Schlammbettreaktor (Faulturm 1) Festes Abprodukt zur Kompostierung

13 Partner: GICON GmbH Tiergartenstr Dresden Ich danke für die Aufmerksamkeit.