DE19608308C2

DE19608308C2 - Verfahren zur verbesserten Verwertung von organischen Abfallprodukten bei der Biogaserzeugung

Info

Publication number: DE19608308C2
Application number: DE19608308A
Authority: DE
Inventors: Manfred Fraenkel
Original assignee: FRAENKEL MANFRED E
Current assignee: FRAENKEL, MANFRED E., 15864 BEHRENSDORF, DE
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2016-02-27
Also published as: DE19608308A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines homogenen Substrates für die Biogaserzeugung aus organischen Abfallstoffen, das überwiegend ohne Phasenbildung ab läuft, den Einsatz hydrophober Substrate zuläßt und das sich durch einen hohen Energie gehalt, eine hohe Gasausbeute, eine reduzierte Geruchsbelästigung und eine vollständige Hygienisierung auszeichnet, wobei zur Substratherstellung auch Abfälle verwendet werden können, die bisher als für die Biogasgewinnung schlecht verwertbar gelten.

Erfindungsgemäß werden den in wäßriger Phase vorliegenden organischen Abfallstoffen zur Biogaserzeugung solche Mengen einer durch Reaktion von Fetten/Ölen oder Umsetzungs produkten von Fetten/Ölen mit mikrobiellen Biomassen erhaltenen, oberflächenchemisch aktiven Substanz zugegeben, daß eine homogene Konsistenz der Substrate vorliegt und damit Phasentrennungen und Ablagerungen innerhalb des Vergasungsprozesses weitgehend vermieden werden.

Es ist bekannt, daß Bakterien abbaufähige organische Substanzen wie Kohlenhydrate, Pro teine und Fette sowohl unter Sauerstoffabschluß als auch bei Vorhandensein von Sauerstoff abbauen können. Ein Prozeß, der bei Dunkelheit unter Sauerstoffabschluß in einem Substrat stattfindet, wird als anaerobe Fermentation bezeichnet.

Dabei steht der mesophile Temperaturbereich (32-38°C) und der thermophile Tempera turbereich (53-58°C) zur Diskussion, wobei der thermophile Temperaturbereich vorwiegend bei Substraten mit gefährlichen pathogenen Keimen zur Anwendung kommt. Die Bio methanisierung verläuft in vier Phasen, an denen drei verschiedene Bakteriengruppen betei ligt sind.

In der hydrolytischen und säurebildenden Prozeßphase werden organisch hochmolekulare Verbindungen mit Hilfe von Enzymen zu niedermolekularen Verbindungen wie Aminosäu ren, Glycerin und Fettsäuren hydrolysiert, wobei in einer weiteren Phase aus den Hydroly seprodukten Essig-, Butter-, Propion-, Valerian-, Capron-, Ameisen- und Milchsäure sowie Ethanol, Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff produziert wer den. Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid sind in erster Linie die Ausgangsprodukte, die durch die Methanbakterien letztlich zu Methan und Kohlendioxid umgesetzt werden. Die Ausbeute und Zusammensetzung des Biogases ist von der Substratzusammensetzung abhängig.

Die Ausbeute an Biogas für ein Kilogramm Trockensubstanz sowie die prozentuale Zu sammensetzung für Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette gibt folgende Tabelle wieder (E. Böhnke, W. Bischofsberger, C. Steyfried, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 1993):

Biogas ist ein hochwertiger Brennstoff, der direkt in Gasmotoren für die Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden kann. Hierdurch verringert sich der Verbrauch an fossilen Brennstoffen und damit die Emission des Treibhausgases CO₂. Darüber hinaus führt die Entgasung von organischen Abfällen in Biogasanlagen zu einer Reduzierung der Emission von CH₄, das ein 10-20 mal stärkeres Treibhausgas als CO₂ ist.

Biogasanlagen eignen sich für die Verwertung organischer Abfälle, die landwirtschaftlichen Nutzflächen wieder zugeführt werden sollen, wodurch der Einsatz von Kunstdünger verrin gert werden kann.

Die Basis für die Biogasproduktion bilden Tierdung (85%), Industrieabfälle (8%), Hausmüll (6%) und Klärschlamm (1%). Der Hauptanteil des anfallenden Tierdungs entfällt auf Rin dergülle und Schweinegülle. Geflügeldung und andere Dungarten aus der Kleintierzucht spielen eine untergeordnete Rolle. Das organische Material der Gülle ist teilweise so schwer zersetzbar, daß es für die Verwertung in Biogasanlagen ungeeignet ist.

Beim heutigen Stand der Biogasanlagen bleibt ein wesentlicher Teil des Energiepotentials somit ungenutzt. Biogas-Großanlagen, die nur auf der Entgasung von Gülle basieren, arbei ten unter den gegenwärtigen Bedingungen betriebswirtschaftlich unrentabel. Der Gülle wer den deshalb leicht zersetzbare organische Abfälle (z. B. Industrieabfälle) zugesetzt.

Verwertbare Industrieabfälle sind beispielsweise, in der Reihenfolge ihrer Anteile bei der Biogaserzeugung, Fett- und Flotationsschlämme, Magen- und Darminhalte aus Schlachte reien, Fischabfälle, Bleicherde, Abfälle aus der Häuteverwertung, Klärschlamm, Molkeper meat und Kartoffelspülwasser.

Die Entgasung von Hausmüll in Biogasanlagen ist technisch komplizierter als bei Gülle oder Industrieabfällen und oft mit Problemen beim stabilen Betrieb der Anlagen verbunden. Der Hausmüll wird vorsortiert, zerkleinert, Plastik und Metall entfernt, zerfasert und unter Zu satz von NaOH bei erhöhter Temperatur (ca. 70°C) hygienisiert und aufgeschlossen. Eine flüssige Phase wird dem Reaktor zugeführt und feste Bestandteile in Hydrolysetanks weiter aufgeschlossen. Die Möglichkeiten der Nutzung von organischen Abfällen als Substrate in Biogasanlagen sind bisher nicht befriedigend gelöst und es werden Abfallbiomassen noch unvorteilhaft entsorgt oder der Umwelt zugeführt. Auch die Produktion von energiereichen Anbaupflanzen wie Raps, Getreide, Grünpflanzen etc. stellt eine Variante zur Substratge winnung dar, die seit 1992 an Bedeutung gewonnen hat, weil festgelegt wurde, in allen EG- Mitgliedsstaaten 15% der landwirtschaftlichen Nutzfläche brachzulegen.

Probleme, die mit der Biogaserzeugung verbunden sind, sind die Geruchsbelästigung sowie gefährliche Keime, Viren u. a. Krankheitserreger in den Substraten. In diesem Zusammen hang sind vor allem Hausmüll, Klärschlamm und Gülle zu nennen. Bestimmte organische Abfälle wie z. B. Tierkadaver können deshalb in Biogasanlagen nicht verwendet werden. Die Krankheitserreger werden durch thermophile Prozeßführung oder thermische Behandlungen vor oder nach einer mesophilen Prozeßführung über mehrere Stunden bei 50-70°C abge tötet. Weitere Probleme sind durch die inhomogene Konsistenz der Substrate bedingt, die in den Anlagen u. a. in Wärmeaustauschern zu Ablagerungen führt. Die Zugabe von hohen Anteilen an Fettabfällen, die durch den hohen Energiegehalt der Fette wünschenswert ist, kann zu Phasentrennungen und Schaumbildungen führen, wodurch der kontinuierliche Be trieb der Anlage gestört wird.

Aus der EP-A 0052 334 ist ein Verfahren zur Gewinnung von festen, flüssigen und gasför migen Brennstoffen aus organischem Material, insbesondere Klärschlamm, bekannt, wobei das Einsatzmaterial unter Luftabschluß auf eine Umwandlungstemperatur von 200 bis 400° C erwärmt wird und die entstehenden Gase und Dämpfe durch periphere Gas- und Flüssig keitsabscheider geleitet werden.

Aus der DE-OS 39 28 815 ist ein Verfahren zur Temperatur-Druckhydrolyse von Klar schlämmen bekannt, wobei gegebenenfalls unter Verwendung von anorganischen Kata lysatoren und Additiven eine Umwandlung von mikrobiologischen Biomassen in Wertstoffe erfolgt. Bei der Reinigung von kommunalen Abwässern entsteht durch den Vorklärschlamm der Sedimentationsstufe und den überschüssigen Belebtschlamm der aeroben Belebt schlammstufe ein Schlammgemisch mit einem hohen Biomasseanteil. Mittels der thermi schen Druckhydrolyse entstehen im alkalischen Bereich monomere Wertstoffe wie Ami nosäuren, Fettsäuren, Fettalkohole usw.

Die Verwendung von Additiven bezieht sich auf die Zugabe von Mineralsäuren oder Lau gen, die im Klärschlamm enthaltene Schwermetalle in eine wasserlösliche Form überführen.

Alle Verfahren laufen zumindest in der Anfangsphase als weitgehend heterogene Fest- Flüssigphase ab, die sich besonders bei der Gewinnung von Biogas ungünstig auf die Raum- Zeit- Ausbeute auswirken.

Als protein- und/oder kohlenhydrathaltige Abfallmassen sind z. B. Gülle, vorsortierter Hausmüll, Industrieabfälle wie Klärschlämme, Fisch- und Fleischabfälle, Magen- und Dar minhalte aus Schlachtereien, Abfälle aus der Häuteverwertung, Molkereipermeat, Kartoffel spülwasser, Fruchtabfälle, Abfälle aus der Cellulose- und Papierproduktion bzw. deren Gemische geeignet. Fetthaltige Abfälle im Sinne des Verfahrens sind Fett- und Flotations schlämme, Fette aus Fettabscheidern, Recyclingfette, Bleicherde und Schlachtereiabfälle bzw. deren Gemische.

Unter oberflächenchemisch aktiven Substanzen, die zur Homogenisierung im Sinne dieser Erfindung den zur Biogaserzeugung eingesetzten Substraten beigemischt werden, werden durch Verseifung mittels Alkali- oder Erdalkalimetallhydroxiden erhaltene Umsetzungs produkte bzw. Kondensate von geeigneten pflanzlichen und/oder tierischen Fetten und Ölen mit mikrobiellen Biomassen verstanden, deren Bestandteile hinsichtlich ihrer chemi schen Natur und ihrer Molekülgröße erhebliche Unterschiede aufweisen und die durch ge eignete Hydrolysatherstellung und Derivatsierung in physikalisch homogene, grenzflächen chemisch aktive Verbindungen mit guter Wasserlöslichkeit überführt wurden.

Dabei ist es unerheblich, ob die grenzflächenchemisch aktiven Verbindungen:

a) durch Umsetzung der mikrobiellen Biomassen mit Fettsäurechloriden in organischen, mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmitteln unter Verwendung von Alkalimetallhydroxiden,
b) durch Umsetzung der mikrobiellen Biomassen mit natürlichen Fetten im wäßrigen Medi um in Anwesenheit von Alkalimetallhydroxiden,
c) durch Partialhydrolyse der mikrobiellen Biomassen mit Erdalkalimetallhydroxiden, da nach Abtrennung der unlöslichen Bestandteile und anschließende Reaktion mit Fettsäu rechloriden oder Fetten,
d) durch Partialhydrolyse der mikrobiellen Biomassen mit Ammoniaklösung und anschlie ßende Reaktion mit Fettsäurechloriden oder Fetten,
e) durch Partialhydrolyse der mikrobiellen Biomassen mit Alkalimetallhydroxiden und an schließende Reaktion mit Fetten und Propylenoxid, jeweils im alkalischen Medium, erhal ten werden.

Falls eine weitere Modifizierung der Wasserlöslichkeit erwünscht ist, können auch die unter c) oder d) erhaltenen Produkte propoxyliert zur Anwendung gebracht werden.

Die gute Emulgierwirkung der oberflächenchemisch aktiven Substanzen ermöglicht es, als Zusatz in Konzentrationen von beispielsweise 1-10% zu schlecht mischbaren zu vergasen den Substraten wie Fette oder andere hydrophobe Stoffe oder Stoffgemische, die Raum-Zeit-Ausbeute an Methan wesentlich zu verbessern, wobei sie als biologisch abbauba re Emulgatoren wirken, die am Methanisierungsprozeß direkt beteiligt sind.

Beispiele für die theoretischen Gasausbeuten bei verschiedenen Substraten (bezogen auf 1 kg Trockensubstanz) sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß bei Verfügbarkeit von hohen Anteilen an Abfallfetten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht vergasbare Substrate mit einem hohen Ener giegehalt hergestellt werden können, wodurch die Betriebskosten einer Biogasanlage erheb lich gesenkt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend ohne einschränkenden Charakter an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

10 Gewichtsteile eines 20 gew.-%igen Klärschlammes, 10 Gewichtsteile Recyclingfett und 7 Gewichtsteile vorsortierter, zerkleinerter Hausmüll werden mit 5 Gewichtsteilen eines im alkalischen Medium erhaltenen Umsetzungsproduktes aus Klärschlamm und Abscheiderfett innig gemischt und mit Wasser auf einen Feststoffgehalt von 15 Gew.-% und durch Zugabe von Essigsäure auf einen pH-Wert von 7,5 eingestellt. Das Substrat wird anschließend einer Biovergasung zugeführt.

Ausführungsbeispiel 2

15 Gewichtsteile Frischschlamm, 20 Gewichtsteile einer 5 gew.-%igen Gülle und 30 Ge wichtsteile Abscheiderfett aus Schlachtereien werden mit 3 Gewichtsteilen eines im alkali schen Medium erhaltenen Umsetzungsproduktes aus Brauereihefeabfällen und Recyclingfett innig gemischt, mit Wasser auf einen Feststoffgehalt von 12 Gew.-% und durch Salzsäure auf einen pH-Wert von 8,0 eingestellt. Das Substrat wird anschließend einer Biovergasung zugeführt.

Ausführungsbeispiel 3

15 Gewichtsteile vorsortierter, zerkleinerter Hausmüll, 15 Gewichtsteile Gülle mit einem Feststoffgehalt von 3 Gew.-% und 24 Gewichtsteile Bleicherde werden mit 2 Gewichtstei len eines im alkalischen Medium erhaltenen Umsetzungsproduktes aus Belebtschlamm und Fettschlamm innig gemischt und mit Kartoffelspülwasser auf einen Feststoffgehalt von 10 Gew.-% eingestellt. Das Substrat wird anschließend einer Biovergasung zugeführt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines homogenen Substrates für die Biovergasung aus orga nischen Abfallstoffen, das überwiegend ohne Phasenbildung abläuft, den Einsatz hydro phober Substanzen zuläßt und das sich durch einen hohen Energiegehalt, eine hohe Gasausbeute, eine reduzierte Geruchsbelästigung und eine vollständige Hygienisierung auszeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß dem inhomogenen Substrat solche Mengen von durch Reaktion von Fetten/Ölen oder Umsetzungsprodukten von Fetten/Ölen mit mikrobiellen Biomassen erhaltenen, oberflächenchemisch aktiven Substanzen zugege ben werden, daß eine homogene Konsistenz des Substrates vorliegt und damit Phasen trennungen und Ablagerungen weitgehend vermieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem inhomogenen Substrat oberflächenchemisch aktive Substanzen zugegeben werden, die durch Umsetzung von Fetten mit Klärschlamm im alkalischen Medium erhalten wurden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem inhomogenen Substrat oberflächenchemisch aktive Substanzen zugegeben werden, die durch Umsetzung von Fetten mit Frischschlamm im alkalischen Medium erhalten wurden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem inhomogenen Substrat oberflächenchemisch aktive Substanzen zugegeben werden, die durch Umsetzung von Fetten mit Faulschlamm im alkalischen Medium erhalten wurden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem inhomogenen Substrat oberflächenchemisch aktive Substanzen zugegeben werden, die durch Umsetzung von Fetten mit Hefezellresten wie z. B. Brauereihefe im alkalischen Medium erhalten wur den.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß geeignete kohlenhy drat- und peptidhaltige Abfälle, beispielsweise Gülle, vorsortierter zerkleinerter Haus müll, Klärschlämme, Fisch- und Fleischabfälle, Magen- und Darminhalte, Abfälle aus der Cellulose- und Papierproduktion bzw. Gemische von ihnen und geeignete fetthalti ge Abfälle, Fett- und Flotationsschlämme, Fette aus Fettabscheidern, Recyclingfette, Bleicherde und Schlachtereiabfälle bzw. Gemische von ihnen Ausgangsprodukte dar stellen.