DE102005012936A1 - Verfahren zur Beschleunigung der Inbetriebsetzung und zur Verbesserung der Biogas-Produktion einer Biogas-Anlage mit immobilisierten Methanbakterien - Google Patents

Abstract

Die Zeit zwischen baulicher Fertigstellung und Inbetriebsetzung einer Biogasanlage, die mit auf Füllkörpern immobilisierten Methanbakterien ausgestattet ist, soll verkürzt werden. Während des Betriebes sollen in der Nähe der Flüssigkeitszuführung tolerierbare Bedingungen für Methanbakterien geschaffen werden.
Die Animpfung der Füllkörper erfolgt vor der Fertigstellung der Biogasanlage. Die Biogasanlage kann nahezu ohne Anfahrzeit in Betrieb genommen werden.
Das wird durch eine Beimpfung der Füllkörper des Biogasreaktors am oder außerhalb des Standortes der Biogasanlage vor deren baulicher Fertigstellung erreicht.
Es wird eine interne Rückvermischung von Flüssigkeiten aus dem Inneren des Biogasreaktors mit der zugeführten, meist sauren Flüssigkeit durch die Nutzung des hydrostatischen Auftriebs der Mischung von aufsteigendem Biogas und Flüssigkeit realisiert.
Gemäß Fig. 1 wird ein Schrägblatt-Gassammler angeordnet, der in einen an der Flüssigkeitsoberfläche endenden Aufströmkanal mündet. Durch ihn steigt ein Gemisch aus Gasblasen und Flüssigkeit auf und mischt sich mit der eintretenden Flüssigkeit. So wird eine interne Rück- und eine Quervermischung ohne mechanische Einbauten oder Zuführung von Energie erreicht.
Das Verfahren der vorzeitigen Animpfung der Füllkörper ermöglicht die rasche Inbetriebnahme der Biogasanlage bei weitestgehendem Verzicht auf eine Anfahrphase. Die selbstgängige Rückvermischung erhöht die Produktivität des Biogasreaktors.

Description

• Biogasanlagen, insbesondere solche, die für die Vergärung fester biogener Stoffe vorgesehen sind, werden oft zweistufig betrieben. In der ersten Stufe erfolgt die Hydrolyse, die das Herauslösen aller wasserlöslichen Bestandteile der biogenen Stoffe und die Umwandlung vieler wasserunlöslicher Bestandteile in lösliche bewirkt. Die entstehende wässrige Flüssigkeit enthält dann solche Stoffe, darunter bevorzugt niedere Fettsäuren, Zucker und Alkohole, die in einem Biogas-Reaktor als zweite Stufe durch die Wirkung von Methanbakterien in Biogas umgewandelt werden.
• Die Methanbakterien können sich frei im Reaktor befinden, sie können an suspendierten Feststoffteilchen oder an gezielt einbrachten Füllkörpern angelagert sein. Die Anlagerung der Methanbakterien an Füllkörper – dieser Vorgang wird üblicherweise als Immobilisierung bezeichnet – hat dabei den Vorteil, dass die Methanbakterien nicht aus dem Biogas-Reaktor ausgespült werden können.
• Bei allen bisher bekannten Verfahren muss ein Anfahren der Biogas-Anlage nach deren baulichen Fertigstellung erfolgen. Diese Anfahren hat unter anderem zum Ziel, die notwendige Menge der Mikroorganismen in den Reaktoren durch Vermehrung unter optimalen Bedingungen zu erhalten. Es wird durch das Beimpfen, d.h. durch das Einbringen von Mikroorganismen, bevorzugt Methanbakterien, aus anderen Anlagen, unterstützt. Das Anfahren dauert in der Regel mehrere Monate, wobei die Anlage noch kein oder nur wenig Biogas erzeugt und somit kein wirtschaftlicher Vorteil aus dem Betrieb der Anlage entsteht.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die anfahrzeiten einer Biogasanlage zu verkürzen, so dass die Anlage möglichst unmittelbar nach ihrer baulichen Fertigstellung die auslegungsgemäße Biogasproduktion aufnehmen kann und sich somit die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht.
• Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale gelöst.
• Es ist bekannt, dass Methanbakterien in sauerstofffreier und feuchtigkeitsgesättigter Atmosphäre lange Zeit überlebensfähig sind, selbst wenn ihnen keine Nährstoffe zur Verfügung stehen. Dieser Eigenschaft wird erfindungsgemäß ausgenutzt, indem die Füllkörper bereits vor der baulichen Fertigstellung der Anlage entweder am Standort selbst, in einer anderen Anlage, beim Hersteller, Lieferanten oder einem Dritten beimpft werden und die Methanbakterien auf den Füllkörpern immobilisiert werden.
• Der erreichte Vorteil besteht darin, dass die Füllkörper sofort für die Biogasproduktion einsetzbar sind. Die Biogasanlage kann damit unmittelbar nach baulicher Fertigstellung ihren vollen Betrieb aufnehmen und die Anfahrphase entfällt weitestgehend.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 3 und 4 gegeben. Dabei kann die Vorfertigung eines kompletten Biogas-Reaktors oder auch nur der Füllkörper nach diesem Verfahren erfolgen. Der Transport der so vorbereiteten Füllkörper muss in luftdichten Behältern und in einer feuchtigkeitsgesättigten Atmosphäre erfolgen.
• In einem Biogas-Reaktor, der mit Füllkörpern gefüllt ist und auf denen die Methanbakterien immobilisiert sind, trifft die Flüssigkeit aus der Hydrolysestufe unmittelbar auf die ersten Schichten dieser Füllkörper auf. Da die Flüssigkeit aus der Hydrolyse einen niedrigen pH-Wert hat und die Methanbakterien unter diesen Bedingungen nicht überlebensfähig sind oder zumindest in ihrer Aktivität gehemmt werden, kommt es regelmäßig zu einer verminderten Biogasproduktion in diesem Reaktorabschnitt. Erst mit fortschreitender Verdünnung im Reaktorinneren und unter der Wirkung der Methanbakterien verschiebt sich der pH-Wert in den neutralen und somit für die Methanbakterien tolerierbaren Bereich.
• Der im Patentanspruch 5 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Mischung des eintreten Flüssigkeitsstromes aus der Hydrolyse sofort so mit der im Inneren des Reaktors befindlichen Flüssigkeit zu vermischen, dass der pH-Wert der entstehenden Mischung in einem durch die Methanbakterien tolerierbaren Bereich (neutral oder schwach basisch) liegt, ohne dass dazu Einbauten, wie etwa Rührorgane, oder die Zuführung von Energie notwendig ist.
• Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 5 aufgeführten Merkmale gelöst. Dazu werden Einbauten im Biogas-Reaktor so angeordnet, dass das gebildete und in der Flüssigkeit aufsteigende Biogas gesammelt und durch einen Aufströmkanal geleitet wird. Dort mischt es sich intensiv mit der Flüssigkeit des Reaktors. Diese Mischung von Gas und Flüssigkeit hat aufgrund der höheren Gasmenge eine geringere Dichte als die umgebende Flüssigkeit und strömt unter der Wirkung des hydrostatischen Auftriebs durch den Aufströmkanal nach oben. Es wird damit ein Transport von Flüssigkeit aus dem Inneren des Biogasreaktors an die Flüssigkeitsoberfläche erzielt.
• Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass ein Teil der sich in den unteren Schichten bzw. im Inneren des Biogas-Reaktors befindlichen Flüssigkeit, deren Gelöstes schon weitgehend von den Methanbakterien in Methan umgewandelt wurde, nach oben transportiert und mit frisch zulaufender Flüssigkeit aus der Hydrolyse vermischt und diese verdünnt wird. Dadurch wird ein tolerierbarer pH-Wert auch in der Nähe des Zulaufs und die volle Produktivität aller Methanbakterien im Biogas-Reaktor gewährleistet. Diese Rückvermischung ist selbsttätig und nutzt nur die Auftriebskraft des entstehenden Biogases in der Flüssigkeit. Es sind keine Pumpen, bewegte Einbauten oder die Zuführung von Energie erforderlich.
• Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß Patentanspruch 5 werden im folgenden erläutert.
• 1 zeigt den schematischen Querschnitt durch einen Biogas-Reaktor, der mit Füllkörper und mit einem trichterförmigen, symmetrischen Gassammler ausgestattet ist. Dieser mündet in einen Aufströmkanal, der unmittelbar an der Flüssigkeitsoberfläche endet. Über der Austrittsöffnung des Austrittkanals befindet sich die Zuführung für die Flüssigkeit aus der Hydrolyse, wobei ein Verteiler für die gleichmäßige Verteilung der einströmenden Flüssigkeit sorgt
• Die aufsteigenden Blasen aus Biogas werden im Gassammler in Richtung des Aufströmkanals geleitet. Dort bilden sie mit der im Reaktor befindlichen Flüssigkeit ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch, dessen mittlere Dichte geringer ist als die der umgebenden Flüssigkeit. Damit entsteht ein Auftrieb, der eine aufwärts gerichtete Strömung verursacht. Somit wird Flüssigkeit aus den unteren Schichten des Reaktors selbstständig nach oben transportiert und mit der frisch zugeführten Flüssigkeit aus der Hydrolyse gemischt, die dadurch verdünnt wird. Somit kommen die Methanbakterien nunmehr nur mit Flüssigkeit in Kontakt, deren pH-Wert durch die Methanbakterien gut toleriert wird. Das Biogas tritt durch den entsprechenden Anschlussstutzen aus und wird zur weiteren Nutzung abgeleitet.
• 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Biogasreaktor mit einem assymmetrisch angeordneten Schrägblatt-Gassammler. Hier wird eine schräg eingebaute Platte zur Gassammlung benutzt. Das Gas wird in Richtung der höheren Seite der Platte geleitet und strömt in den Aufströmkanal, der an der Flüssigkeitsoberfläche endet. In der Nähe der Austrittsöffnung des Ausströmkanals befindet sich die Zuführung für die Flüssigkeit aus der Hydrolyse.
• Im Aufströmkanal bildet das Gas mit der Flüssigkeit ein Gas-Flüssigkeit-Gemisch, das wegen des Auftriebs nach oben strömt. Beim Austritt aus dem Aufströmkanal wird es mit der frisch zugeführten Flüssigkeit aus der Hydrolyse gemischt. Somit treten auch hier die bereits beschriebenen Effekte auf. Das Biogas tritt durch den entsprechenden Anschlussstutzen aus und wird zur weiteren Nutzung abgeleitet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Beschleunigung der Inbetriebsetzung einer, vorzugsweise zweistufigen, Biogas-Anlage mit immobilisierten Methan-Bakterien, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimpfung von Füllkörpern mit Methanbakterien – gleichzeitig auch Immobilisierung der Methanbakterien auf diesen Füllkörpern genannt – für die Verwendung in einem Biogas-Reaktor zeitlich vor der Inbetriebnahme der gesamten Biogas-Anlage erfolgt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beimpfung von Füllkörpern mit Methanbakterien außerhalb des Standortes der Biogas-Anlage erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 und Patentanspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Biogas-Reaktor zusammen mit den so beimpften Füllkörpern außerhalb der Biogasanlage vorgefertigt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1 und Patentanspruch 2 dadurch gekennzeichnet, die so mit Methanbakterien beimpften Füllkörper in luftdicht verschlossenen Behältnissen zur Biogasanlage transportiert werden.
5. Verfahren zur Verbesserung der Biogas-Produktion einer Biogas-Anlage mit immobilisierten Methanbakterien dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines mit beimpften Füllkörpern gefüllten Biogas-Reaktors eine zielgerichtete Rückvermischung des Flüssigkeitsinhaltes mit frisch zugeführter Flüssigkeit erfolgt, die durch das aufsteigende Biogas bewirkt und durch konstruktive Maßnahmen nach dem Prinzip des hydrostatischen Auftriebs unterstütz wird, wobei auf jegliche bewegte Einbauten und auf Zuführung jeglicher Art von Energie verzichtet wird.