DE3208977C2

DE3208977C2 - Verfahren und Vorrichtung zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate

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Publication number: DE3208977C2
Application number: DE3208977A
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr.-Ing. 7250 Leonberg Chmiel; Bernhard 7990 Friedrichshafen Schwarting; Norbert 7994 Langenargen Schwarting; Walter Dr.rer.nat. 7000 Stuttgart Trösch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1982-03-12
Filing date: 1982-03-12
Publication date: 1984-02-23
Also published as: DE3208977A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate wird der Abbau in zwei oder mehreren Stufen vorgenommen und läuft in voneinander getrennten Behältern ab, derart, daß der Druck, die Temperatur, der pH-Wert und/oder die chemische und/oder mikrobielle Zusammensetzung der einzelnen Stufen eingestellt werden und dabei in jeder Stufe das Substrat und die darin wachsenden Mikroben einer jeweils definierten Scherung bzw. Mischung ausgesetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, alle Verfahrensparameter in jeder Stufe unabhängig voneinander zu ändern, das Substrat und die darin entstehenden Mikroben einer definierten Scherung bzw. Mischung auszusetzen und durch einen in bestimmten Zeitabständen erzeugten Unterdruck das im Substrat entstehende Gas auszutragen. Die Verweilzeiten können somit erheblich gesenkt werden.

Description

ä) zur Scherung der Substrate in den Behältern (11, 21) ein oder mehrere VVendelrührer (41) vorgesehen sind, wobei de. oder die Wendelrührer (41) ein gewendeltes Rührerblatt (43) aufweisen, das an einer drehbaren Achse (42) angebracht ist und mit einer Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern (44) versehen ist, oder

b) zur Scherung der Substrate die Behälter(ll,21) mit Einbauten (54, 64, 64', 64") versehen sind, die als achssenkrecht zur Strömungsrichtung der Substrate angeordnete Lochplatten (55) mit gieiehiTiäßiger oder ungleichmäßiger Lochüng (56) oder als Düsenplatte (66) ausgebildet sind, oder

c) zur Scherung der Substrate die Einbauten gemäß b) als Füllkörper (57) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenplatten (66) mit in Reihe und/oder gegeneinander versetzt angeordneten Freisparungen (67) oder Einstanzungen versehen sind, die jeweils einen durch eine Ausbiegung (68) gebildeten Ein- oder AuMaukaimi (S3/am weisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (57) aus auf Kreisringen (58) mit seitlichem Abstand nebeneinander angeordneten Stegen (59) bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausströmen der Behäliereinbauten (54; 64, 64', 64") und/oder zur Überführung des Substrates von einem Behälter (ti) in einen anderen Behälter (2t) in diese jeweils eine durch Druckmittel bewegbare Membran (51; 61) eingesetzt ist.

1. fermentativer Schritt — hier werden die organischen Bestandteile zu organischen Säuren u.a. abgebaut, wobei neben anderem Wasserstoff (I I₂) und Kohlensäure (CO₂) entstehen,
2. methanogener Schritt — hier wird durch verschiedene Methanbakterien hauptsächlich aus Essigsäure bzw. Wasserstoff (H₂) und Kohlensäure (CO₂) Methan (CH₄) gebildet.

Der fermentative Scuritt zeigt folgendes Charakteristikum: Die Essigsäurekonzentration respektive die Wasserstoffkonzentration steuert die Stoffwechselwege und die Aktivität der fermentatsven Biozönose, d. h, hat die Essigsäure (H⁺) eins bestimmte Konzentration erreicht, werden andere Fettsäuren gebildet. Unter

Umständen entsteht sogar Butanol oder Äthynol. Buttersäure beispielsweise ist jedoch für die bisher bekannten Methanbakterien nicht verwertbar. Ez ist folglich eine weitere Bakteriengruppe notwendig, um diese »nicht mehtanogenen« Substanzen zu direkt verwertbaren wie Essigsäure umzuwandeln. Diese Rekationen sind häufig thermodynamisch nur dann möglich, wenn sie durch exergone Reaktionen, wie sie die Methanbildungsreaktion aus Essigsäure darstellt, gezogen wird (bioeeergetische Symbiosen).

Für aerobe Diproportionierungsverfahren ist eine einstufige Prozeßführung (Lit I) bekannt, die jedoch anfällig für Substratstöße (Übersäuerung u ä.) ist. Zur Erhöhung der Prozeßstabüität wurde deshalb schon eine zweistufige Prozeßführung (Lit. 2) diskutiert. So wird beispielsweise nach einer anderen Verfahrensweise 'Lit 3^Y der Rcsktcrrsu™ se unicrtsüt, dsß azs. Substrat zunächst den ersten Raum durchströmt und dabei Fettsäuren gebildet werden, und dann anschließend in den zweiten Teil des Behälters einströmt, in dem die Fettsäuren in Methan umgesetzt werden.

Bei diesem zweistufigen Verfahren bleibt aber der Nachteil, daß eine Änderung: der Parameter in der ersten Stufe, wie z. B. pH-Wert-Änderung, Druckänderung, Temperatüränderüng Usw. sich zwangsläufig in die zweite Stufe fortsetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie sine Vorrichtung zum mikrobieüen Abbau organisch belasteter Substrate zu schaffen,

wobei diese Nachteiie vermieden werden sollen. Es soll vielmehr erreicht werden, daß in jeder Stufe alle Verfahrensparameter unabhängig voneinander zu verändern sind, so daß der Abbau in den einzelnen Stufen unter optimalen Bedingungen und in einer erheblich > kürzeren Zeit als bisher erfolgen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren, mittels dem dies zu bewerkstelligen ist, ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Zweckmäßifc ist es hierbei, durch Erzeugung eines vorzugsweise diskontinuierlichen und/oder pcriodi- n> sehen Unterdrucks in den einzelnen Behältern das im Substrat entstehende Gas auszutragen, wobei das aus einem Behälter ausgetragene Gas in einen anderen Behälter eingetragen werden kann.

Vorteilhaft ist es des weiteren, d'.s K'i.^.nung in π bestimmten Zeitabständen zu unterbrechen, damit eine Sedimentation eintreten kann.

Die Vorrichtung zur Anwendi" ₃ dieses Verfahrens ⁷^iSt im Patentanspruch 4 genpviL

rid Die Behälter können hierbei'- jnzentrisch ineinander ⁷3ng^eordnet werden, wobei der Behälter mit der jeweils Tihöheren Betriebstemperatur in dem Behälter mit der nächst niederen Betriebstemperatur installiert sein sollte.

Zur Scherung der Substrate in den Behältern können ein oder mehrere Wendelrührer vorgesehen werden, die jeweils ein gewendeltes Rührerblatt aufweisen, das an feiner drehbaren Achse angebracht und mit einer ^Vielzahl von Ausnehmungen in Form von Löchern ^versehen ist jo

Zur Scherung des Substrates können aber auch in den

Behältern Einbauten eingesetzt sein, die als achssenk-

: recht zur Ströniungtj-ichtung des Substrats angeordnete Lochplatten mit gleichmäßiger oder ungleichmäßiger

—Lochung oder a!s Düscnpiaiten ausgebildet sind. J>

Die Düsenplätten können hierbei mit in Reihe

Tind/oder gegeneinander versetzt angeordneten Freisparungen oder Einstanzungen versehen sein, o<e jeweils einen durch eine Ausbiegung gebildeten Ein-

oder AuslabKanal aufweisen. ■*< >

Die Behäitereinbauten können aber auch als Füllkörper ausgebildet sein. wood diese aus auf Kreisringen mit !seitlichem Abstand nebeneinander angeordneten Stegen bestehen können

Zum Anströmen der Behältereinbauten und/oder zu>· 4$ Überführung des Substrates von einem Behälter in einen anderen Behälter ist es des weiteren zweckmäßig, in diese jeweils eine durch Druckmittel bewegbare Membran einzusetzen.

Ferner können zwischen je zwsii miteinander verbundenen Behältern in deren verbindungsient>ng eine Kolben- oder Membranpumpe eingesetzt werden, mittels der die in den Behältern eingebaute Membrane wechselweise beaufschlagbar sind.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, alie Verfahrensparameter wie Druck, pH-Wert, chemische Zusammensetzung oder mikrobiei-Ie Zusammensetzung in jeder Stm- unabhängig voneinander zu ändern, das Substrat und die dann w> .,entstehenden; Mikroben einer definierten Scherung äuszusetzenünd durch einen in bestimmten Zeitabstariden erzeugten Unterdruck das iin Substrat entstehende Gas auszutragen. Unter definierter Scherung söHrdabei verstanden werden, daß eine bestimmte Gruppe von *>5 Mikroorganismen einer für sie so optimalen Scherbeanspruchung ausgesetzt wird, daß die bioenergetischen !Symbiosen mit höchstem Wirkungsgrad ablaufen.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der gemäß der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate dargestellt und nachfolgend im einzelnen erläutert. Hierbei zeigt, jeweils in schematischer Darstellung

F i g. 1 die aus zwei voneinander getrennt angeordneten Behältern bestehende Vorrichtung.

F i g. 2 die Vorrichtung nach F i g. 1 mit ineinander angeordneten Behältern,

F i g. 3 einen zur Mischung vorgesehenen Wendelrührer,

Fig.4 einen mit t.!ner aufblasbaren Membran und Behältereinbauten versehenen Behälter,

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine der Behältereinbauten des Behälters nach F i g. 4,

Fig.6, 7 und 8 jeweils einen mit einer Membran als Impulsgeber und unterschiedlich ausgebildeten Behältereirbauten versehenen Behälter,

F i g. 9 einen Ausschnitt der als Düsenplatte ausgebildeten Einbauten der Behälter nach den F i g. 6 bis 8,

Fig. 10 zwei mit Membranen ausgekittete und über eine Kolbenpumpe miteinander verbundene Behälter und

F i g. Π einen als Füllkörper ausgebildeten Behältereinbau.

Die in F i g. 1 dargestellte und mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate besteht aus zwei voneinander getrennten aber miteinander verbundenen Behältern 11 und 21, wobei der Behälter 11 mit einem Substraieintrag 12 und der Behälter 21 mit einem Substrataustrag 23 versehen sind. Über Leitungen 13 und 2Z die über eine Pumpe 20 miteinander verbunden sind, sind die beiden Behälter 1 ί und 21 aneinander angeschlossen, jeder der Behälter 11 und 21 ist mit einer Rückführungsleitung 14 bzw. 24 und einem Sedimentaustrag 15 bzw. 25 ausgestat r». In die Rückfühmngsleitungen 14 und 24, die an die jeweilige Leitung 13 (Austrag) bzw. Substrataust.ag 23 angeschlossen sind, sind hierbei ebenfalls Pumpen 19 bzw. 29 eingesetzt.

rerner weisen die Behälter 11 und 21 jeweils einen Gasaustrag 16 bzw. 26 auf, der mit einem Absperrventil 17 bzw. 27 versehen ist. Bei geöf.iietsn Absperrventilen 17 bzw. 27 kann das in den Behälter U bzw. A erzeugte Gas über Überdruckventile IS bzw. 28 aoströmen

Das in dem Behälter il, in dem die Stufe! des mikrowellen Abbaues organisch belasteter Substrate beispielsweise bei Temperaturen von 32—38 C vorgenon.men wird, erzeugte Gas kann aber aurh dem Behälter 2i. der für die Stufe II, die z. B. bei Temperaturen von 50—60C abiäufi. zugeführt werden. Dazu ist der Gasaustrag 16 über eine Leitung 30 mit derr Behälter 21 verbunden. In die Leitung 30 ist eine Pumpe 3* eingesetzt, so daß das Gas aus dem Behäittr Il abgepumpt i.nd somit ein Unterdruck erzeugt werden kann. AuI Ciese weise wird die Gasbiid-jrg erhöht Das in dem Behälter 21 unter Druck anfallende Gas kann mit Hilfe einer in eine Leitung 32 eingesetzten Pumpe 33 abgtfaugt und verbraucht werden. Das Beheizen der Behälter IJ und/oder 21 kann auf herkömmliche Art erfolgen.;

Die Vorrichtung Γ nach Fig.2 entspricht in allen Einzelheiten der Vorrichtung 1 nach' F i g. 1, iedoch sind bei dieser Ausgestaltung die Behälter 11' und 21' ineinander angeordnet Die einzelnen Teile der Vorrichtung 1' sind daher mit den gleichen Bezugsziffern versehen, zur Unterscheidung würden diese jedoch jeweils mit einem (') gekennzeichnet.

Das in den Behältern 11 bzw, 11' eingebrachte Substrat wird in diesem in einer Stufe 1 abgebaut, wobei die einzelnen Verfahrensparameter unabhängig von den Verfahrensparametern der Stufe II, die nachfolgend in den Behältern 21 bzw. 2Γ abläuft, beeinflußt sind.

Der in Fig.3 dargestellte Wendelrührer 41 besteht aus einem geWeridelten ROhrbia tt 43, das an einer Achse 42 angebracht ist und Löcher 44 aufweist Die Zahl und Größe der Löcher 44 sowie die iWendclsteigung können je nach dem Verwendungszweck;gewählt werden. Wird ein Behälterdurchmesser von 20 cm gewählt, sollte der Rührerdurchmesser beispielsweise 19 cm sein. Bei einer Achsenlänge von ca. I m besieht der Rührer aus IO Vollwendeln. Die Lochdurchmesser variieren zwischen ca. 05 und 2 cm. Die Lochzahl pro Vollwendel ergibt sich aus der Gesanitlochfläche pro Fm/elwendel. Von Mikrobenart zu Mikrobenart verschieden kann es sich auch als günstig erweisen, die Lochgröße von unten nach oben zu variieren.

Irr, Fall der konzentrischen Anordnung der Behälter 11' und 21' gemäß F i g. 2 kann der Wendelrührer 41 im Außenbehälter als Ringwendel ausgebildet sein. Die Antriebe der Rührer können, falls erforderlich, unabhängig voneinander sein. Die flächig wirkende Schervorrichtung (Wendelrührer) unterstützt das Ausscheiden der Gase aus der flüssigen Phase.

Bei den Ausgestaltungen nach den F i g. 4. 6. 7 und 8 ist in den Behälter 11 jeweils eine Membran 51 bzw. 61 eingesetzt um das Substrat in Bewegung halten zu können. Außerdem sind feste Einbauten 54 bzw. 64 vorgesehen, die bei der Ausführung nach den F i g. 4 und 5 aus mit Lochung 56 versehenen Lochplatten 55 bestehen. Die Einbauten 64 können aber auch als Düsenplatten 66 ausgebildet werden, in dem gemäß F t g. 9 in diese schlitzartige Freisparung 67 und sich an diese anschließende Ausbiegungen 68 eingearbeitet sind, so daß Ein- oder Auslaßkanäle 69 entstehen. Das Substrat wird somit gezwungen, durch diese Kanäle hindurchzuströmen. Auf diese Weise erfolgt eine gute Vermischung.

Da die Behältereinbauten 64' und 64" bei den Ausgestaltungen nach den F i g. 7 und 8 unterschiedlich gerichtete Strömungskanäle aufweisen, werden mittels der Membran 61 auch unterschiedliche Substratströme erzeugt. Durch die eingezeichneten Pfeile ist dies gekennzeichnet A,uf diese Weise wird zusätzlich die Vermischung des Substrates unterstützt

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig.4 ist die Membran 51 als Blase ausgebildet, in deren Druckraum 52 über eine Leitung 53 Druckmittel einführbar ist Gemäß den F i g. 6 öis 8 kann die Membran 61 mit ihrem Randbereich aber auch als Trennwand fest in den Behälter 11 eingespannt werden, so daß bei einer Druckmittelzuführung über die Leitung 63 in den dadurch gebildeten Druckraum 62 eine pulsierende Bewegung, die auf das Substrat übertragen wird, hervorgerufen wird. Und durch das Anströmen der Einbauten 54 bzw. 64 wird dieses einer definierten Scherung unterworfen.

Gemäß Fig. 10 können die Druckräume der in die Behälter 11 und 21 eingebauten Membran 61 auch durch eine Leitung 71 miteinander verbunden sein, in die eine Kolbenpumpe 72 eingesetzt ist. Die Membranen 61 und 6Γ, mittels denen der Eintrag, der Übertrag und der Austrag von Substrat vorgenommen werden kann, sind somit wechselweise beaufschlagbar.

Als Behältereinbau kann auch ein Füllkörper 57 verwendet werden, '.vie dieser beispielsweise in F i g. 11 dargestellt ist Auf Kreisringen 58 sind hierbei mit Abstand zueinander Stege 59 angeordnet so daß eine große Oberfläche geschaffen ist auf der sich Mikroben ansiedeln können.

ίο ; Die Einbauten 54; 64 und die Füllkörper 57, die zum Scheren des Substrats verwendet werden, unterstützen das Ausscheiden von Gasen aus der flüssigen Phase.

Der beim fermentativen Schritt entstehende Wasserstoff hat mit zunehmender Konzentration eine Inhibitorwicklung. Verstärkt wird dieser Effekt durch Feststoff (Schlammpartikel oder Ligningerüste). an welchen sich lokale Nester von Wasserstoff bilden. Der Vorteil dieser Erfindung ist es daher, daß das Substrat in den öffnungen der Behäiu 'einbauten so geschert wird.

daß solche Nester zerstört werden, ohne jedoch dabei Scherkrä'te zu erreichen, die die Mikroorganismen in ihrer Pr<^_ ίοπ negativ beeinflussen. Durch geeignete Ausbildung des Wendelrührers (Wendslsieigung/Lochfläche) bzw. der Behältereinbauteo (Zahl. Anordnung.

Lochform, -fläche) ist es darüber hinaus möglich. Entmischungseffekte an der Oberfläche der Substratsäule bzw. am Boden zu vermeiden oder zu fördern.

Die Au^<:'ildung der Behältereinbauten schafft eine sehr große Oberfläche auf der sich die Mikroben in Form eines Rasens niederlassen. Dadurch steigt die Mikrobenkonzentration in den Behältern, weil mit dem Substrat weniger Mikroben ausgetragen werden. Zwischen Mikrobenkonzentration und Verweilzeit des Substrates in einem Behälter gibt es aber einen unmittelbaren Zusammenhang derart, daß mit zunehmender Mikrobenkonzentration die Verweilzeit abnimmt Daher wird die Zeit die erforderlich ist um den organischen Anteil der Substrate abzubauen, verkürzt Durch die apparative Trennung der Stufen ist es auch möglich, durch Erzeugung eines Unterdruckes die Entgasung des Substrates in der jeweiligen Stufe noch weiter zu unterstützen und diese Gase aus dem Einzelbehälter zu entfernen. Der Gasstrom aus einzelnen Behältern kann durch die Trennung in andere Behälter zur mikrowellen Weiterverarbeitung eingebracht werden. Darüber hinaus kann in jeder Stufe die für das jeweilige Substrat im Laborversuch gefundenen optimalen Verfahrensparameter wie Druck, Temperatur. pH-Wert chemische und mikrobielle Zusammensetzung eingestellt und auch geregelt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die bisher noch sehr lanzen Verweiizeiten in derartigen Anaeroben Verfahren auf einen Bruchteil zu senken.

Litl: D E-AS 27 28 585
LiL 2: Lettinga et al

Biotechnology and Bioengeneering 22, 1980, S. 699—734

Lit 3: »Biogasanlage« Druckschrift der Firma MBB^ Raumfahrt, München und Planungsbüro und

landwirtschaftlicher Anlagenbau Schraufstetter, Ismaning.

Hierzu 6 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate, wobei der Abbau in zwei oder mehreren Stufen vorgenommen wird und in voneinander getrennten Behältern abläuft, derart, daß der Druck, die Temperatur, der pH-Wert und/oder die chemische und/oder mikrobielie Zusammensetzung der einzelnen Stufen für sich jeweils von den übrigen Stufen eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in jeder Stufe einer derartigen Scherung ausgesetzt wird, daß die bioenergetischen Symbiosen mit höchstem Wirkungsgrad ablaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erzeugung eines vorzugsweise diskontinuierlichen und/oder periodischen Unterdruckes in den einzelnen Behältern (II, 21; 11', 21')

r das im Substrat entstehende Gas ausgetragen wirdl ~

3. Verfahren nach Anspruch \ dadurch gekenfiilzeichnet, daß das aus einem Behälter (11; 11') ^ausgetragene Gas in einen anderen Behälter (21; 2V)

- ^eingetragen wird.

- - 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens : mach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder Stufe ^:rein gesonderter Behälter zugeordnet ist, die Täumlich voneinander getrennten Behälter über mit -Pumpen und/oder Ventilen versehenen Leitungen miteinander verbunden sind, oder die Behälter !konzentrisch ineinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate gemäß den Patentansprüchen 1 und

4. Die Ansprüche 2,3 und 5 bis 7 nennen Ausgestaltungen der Erfindung.

Organische als auch anorganische Abfallverbindungen können durch Mikroorganismen sowohl aerob als auch anaerob abgebaut werden.
Es ist bekannt, daß bei der aeroben Behandlung die

ic Abfallstoffe unter ständiger Sauerstoffzufuhr in belebungsbecken durch Bakterien zu Kohlensäure und Biomasse disproportioniert werden. Die hierbei frei werdende Energie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Die Biomasse (Sekundärschlamm), die bei aerober Abwasserbehandlung zwangsläufig entsteht, wird oft in einer zweiten Behandäungsstufe (Faulturm) stabilisiert. Dabei entsteht Methan und Kohlensäure.

Aerobe und anaerobe Behandlungen organischer Abfallstoffe können für sich als eigenständige Disproportionierungsverfahren betrieben werden. Der anaerobe Abbau organischer Substanzen läuft z.B. in mehreren Schritten ab, nämlich