DE3228895A1

DE3228895A1 - Verfahren zur gewinnung von biogas und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3228895A1
Application number: DE19823228895
Authority: DE
Inventors: Hans-Hermann 6204 Taunusstein Rump; Wilhelm Schneider
Original assignee: Institut Fresenius Chemische und Biologische Laboratorien GmbH
Current assignee: Institut Fresenius GmbH
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1982-08-03
Publication date: 1984-02-09
Also published as: DE3228895C2

Description

Verfahren zur Gewinnung von
Biogas und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Müll und Klärschlamm, wobei als Müll Industriemüll oder vorzugsweise Hausmüll Verwendung findet. Wenn hier von Biogas die Rede ist, so handelt es sich dabei um Gemische, die im wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid mit einem Methangehalt von gewöhnlich 50 bis 65 % bestehen.
Es ist bekannt, Müll in stationären Behältern ansatzweise zu faulen, wobei Biogas entsteht und zuweilen auch aufgefangen und zur Energiegewinnung benutzt wird. Derartige Verfahren, die relativ lange Fauldauern haben, können aber nicht zur Entsorgung von Kommunen verwendet werden., da der Durchsatz solcher Verfahren gering ist. Außerdem sind diese Verfahren arbeitsaufwendig, da nach Abschluß der Faulung eines Ansatzes der Faulbehälter für den nächsten Ansatz entleert werden muß.
In Kommunen fallen kontinuierlich größere Mengen an Müll, insbesondere Hausmüll, und Klärschlamm an, die im Regelfall als solche auf die Deponie gebracht werden. Das Deponierungsverfahren aber ist arbeitsaufwendig und damit teuer und gestattet keinerlei Rückgewinnung wertvoller organischer Stoffe, die in Energie umgewandelt werden können.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand nun darin, kontinuierlich Müll und Klärschlamm gemeinsam zu entsorgen und dabei wenigstens einen Teil der enthaltenen organischen Stoffe in einer für die Energieerzeugung geeigneten Form zu gewinnen. Ein weiteres Ziel der Erfindung bestand darin, Müll und Klärschlamm volumenmäßig so zu reduzieren, daß die zu deponierende Menge erheblich vermindert wird. Schließlich bestand ein weiteres Ziel der Erfindung darin, ein behandeltes Material zu erhalten, dessen Konsistenz für eine direkte Deponierung geeignet ist.
Das erfindungsgemäße kontinuierliche Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Müll und Klärschlamm ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Müll auf eine maximale Korngröße von weniger als 1 cm zerkleinert und in.solchem Mengenverhältnis mit Klärschlamm vermischt, daß der Wassergehalt der Mischung 45 bis 70 Gewichts-% beträgt, die so erhaltene Mischung kontinuierlich mit einem pH-Wert zwischen 6,5 und 9,5 in einen Reaktor mit einer Einführöffnung und einer hiervon getrennten Austragöffnung einspeist und in dem Reaktor unter äußerem Erwärmen und Sauerstoffausschluß fault, das gefaulte Material aus der Austragöffnung des Reaktors abnimmt, 5 bis 25 Gewichts-% des gefaulten Materials zur Einführöffnung des Reaktors zurückführt und das bei der Faulung gebildete Biogas aus dem Reaktor abzieht.
Um das Verfahren in dieser Weise kontinuierlich durchführen zu können, ist es erforderlich, die angegebenen Reaktionsbedingungen einzuhalten.
Dieses Verfahren ist erstmals geeignet, Müll, vorzugsweise Hausmüll, doch auch Industriemüll und Gewerbemüll, gemeinsam mit Klärschlamm zu entsorgen und dabei das zu deponierende Müllvolumen durch teilweise Entfernung von organischem Material und durch Erzielung eines höheren Verdichtungsgrades um bis zu 50 Volumen-% zu verringern. Dasw bei diesem Verfahren anfallende gefaulte Material besitzt eine Konsistenz und einen Wassergehalt, aufgrund derer das Material ohne weitere Entwässerung durch Filterpressen, die arbeits- und energieaufwendig wäre, unmittelbar zu deponieren.
Gleichzeitig wird ein wesentlicher Teil des enthaltenen organischen Materials in das wertvolle Biogas umgewandelt, aus dem mit Hilfe von Gasmotoren oder durch direkte Einführung in industrielle Prozeßwärmesysteme Energie denzentral gewonnen werden kann. Außerdem wird bei diesem Verfahren die Mobilisierung von Schwermetallen aus dem Müll bzw. Klärschlamm vermieden.
Besonders zweckmäßig ist es, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Müll mit möglichst hohem Kohlenstoffgehalt zu verwenden, etwa indem man durch Vorsortierung bzw. Siebung bestimmte Müllfraktionen abtrennt. In üblicher Weise werden von dem Hausmüll auch Kunststoffe, Glas und Metallteile eliminiert, zumal diese für ein Recycling geeignet sind. Kunststoffe können gegebenenfalls auch mangels Wiederverwendung deponiert oder einer Müllverbrennung zugeführt werden.
Es ist wichtig, daß der Müll zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit auf eine günstige Korngröße zerkleinert wird. Wie angegeben, soll die maximale Korngröße weniger als 1 cm sein. Günstiger ist es, die maximale Korngröße auf weniger als 5 mm, vorzugsweise auf weniger als 3 mm, besonders auf weniger als 2 mm und speziell auf -weniger als 1,5 mm einzustellen. Eine untere Korngröße ist nicht kritisch, da die Reaktionsgeschwindigkeit desto größer ist, je kleiner der Müll zerkleinert wurde. Die Zerkleinerung kann beispielsweise mit Hilfe von Hammermühlen, Kugelmühlen oder anderen üblichen Müllzerkleinerungseinrichtungen erfolgen.
Als Klärschlarl wird zweckmäßig Primär-Klärschlamm verwendet, wie Überschußschlamm aus einer biologischen Klärstufe oder noch nicht ausgefaulter Klärschlamm einer Vorklärung, obwohl das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Verwendung eines solchen Primär-Klärschlammes beschränkt ist. Gewöhnlich enthält solchermaßen verwendeter Primär-Klärschlamm 80 bis 96, vorzugsweise 90 bis 95 % Wasser.
Das Mischungsverhältnis von Müll und Klärschlamm richtet sich nach den Wassergehalten dieser beiden Mischungskomponenten, da der Wassergehalt der Mischung 45 bis 70 Gewichts-%, vorzugsweise 50 bis 65 Gewichts-% betragen soll.
Beispielsweise erreicht man bei üblichen Wassergehalten einen Endwassergehalt des Gemisches innerhalb des beanspruchten Bereiches bei Vermischen von etwa 50 bis 60 % zerkleinertem Hausmüll mit 40 bis 50 % Primär-Klärschlamm.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, das Gemisch aus zerkleinertem Müll und Klärschlamm vor der Einführung in den Reaktor vorzukonditionieren, indem man dieses Gemisch auf einer aeroben Rotte kompostiert oder einer anaeroben sauren Gärung unterzieht.
Wenn der pH-Wert des in den Reaktor einzuführenden Gemisches mit oder ohne Vorkonditionierung nicht den angegebenen pH-Wert hat, wie beispielsweise nach einer Vorkonditionierung durch saure Gärung, muß der pH-Wert eingestellt werden, wie beispielsweise durch Zugabe von Kalk.
Es ist also für das erfindungsgemäße Verfahren von Bedeutung, daß das in den Reaktor einzuspeisende Gemisch einen bestimmten Wassergehalt und einen bestimmten pH-Wert besitzt, die während der Faulung in dem Reaktor nicht nachgestellt werden. Bei einem Wassergehalt des Gemisches vor der Einspeisung in den Reaktor unter 45 % enden die mikrobiologischen Vorgänge, die für die Faulung erforderlich sind, so daß wenig oder kein Biogas entsteht und der angestrebte Effekt nicht erzielt wird. Bei einem Wassergehalt über 70 % dagegen bekommt man nach der Faulung an der Austragöffnung des Reaktors ein Material, das zu flüssig ist, um direkt deponiert zu werden, und daher einer Nachentwässerung unterzogen werden muß. Sollte der Wassergehalt des Gemisches etwa aufgrund der Vorkonditionierung unterhalb des beanspruchten Bereiches liegen, muß er durch Wasserzugabe nachgestellt werden.
Das Gemisch wird kontinuierlich oder intermittierend unter Sauerstoffabschluß in den Reaktor eingespeist und .von diesem abgezogen, wodurch insgesamt gesehen ein kontinuierliches Verfahren entsteht.
In den Reaktpr kann unter mesophilen Bedingungen vorzugsweise bei einer Temperatur von 30 bis 400 C oder unter thermophilen Bedingungen vorzugsweise bei einer Temperatur von 50 bis 70" C gearbeitet werden. Hierzu wird das Material in dem Reaktor durch entsprechende Heizeinrichtungen erwärmt, wie beispielsweise mit Hilfe eines Heizmantels oder mit Hilfe von Heizschlangen im Inneren des Reaktors.
Als Reaktor wird zweckmäßig ein geneigter Drehrohrreaktor verwendet, da dieser besonders für die vollkontinuierliche Arbeitsweise geeignet ist. Es kommen aber auch anders aufgebaute Reaktoren in Betracht, wie beispielsweise senkrecht stehende Reaktoren mit einer oberen Einführöffnung und einer unteren Austragöffnung sowie mit stationären Böden im Inneren, wobei das auszufaulende Material etwa mit Hilfe von Krählrechen durch Öffnungen. in den Böden von Etage zu Etage von oben nach unten durch den Reaktor befördert wird.
Bei der Anwendung mesophiler Bedingungen in dem Reaktor benötigt man eine längere Verweilzeit, bekommt aber stabilere Bedingungen. Thermophile Bedingungen sind empfindlicher gegen Temperaturüberschreitungen, ermöglichen aber kürzere Verweilzeiten. Günstige Verweilzeiten in dem Reaktor liegen bei 5 bis 20 Tagen.
Der bevorzugt als Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete geneigte Drehrohrreaktor besitzt eine von üblichen Drehrohrreaktoren abweichende Bauweise.
In üblicher Weise besitzt er ein Einführende und ein Austragende für Feststoffe, doch muß er einen gasdicht abgeschlossenen Innenraum mit einer Gasentnahmeeinrichtung sowie einer Heizeinrichtung haben. Außerdem besitzt er zweckmäßig eine Wärmeisolierung für den Rohrmantel.
Die Neigung des Drehrohrreaktors ist zweckmäßig 5 bis 150, vorzugsweise maximal 100 gegen die Horizontale.
Das durch Faulen des Gemisches aus Müll und Klärschlamm entstehende Biogas wird druckgesteuert beispielsweise an der Stirnseite des Reaktors abgezogen. Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, daß ein Teil des gefaulten Materials, welches am Austragende des Reaktors abgenommen wird, zur Einführöffnung des Reaktor.s zurückgeführt wird, wie beispielsweise mit Hilfe einer Dickstoffpumpe. Mit der Materialrückführung werden die für die Faulprozesse erforderlichen Mikroorganismen zum Eingang des Reaktors zurückgeführt, was die Methanphase beschleunigt, so daß die Verweilzeiten in dem Reaktor zweckmäßig bei etwa 4 bis 40 Tagen liegen können, was erheblich kürzer als bei stationären, nicht kontinuierlichen Verfahren ist. Die Reduzierung der Verweilzeit und damit die Erhöhung der Durchsatzmenge ist ein wesentlicher Gesichtspunkt für die wirtschaftliche Verwertung in größerem Maßstab.
Bei mesophiler Betriebsweise kann man mit Verweilzeiten von 8 bis 20 Tagen, bei thermophiler Betriebsweise mit Verweilzeiten von 4 bis 10 Tagen rechnen.
In der Zeichnung bedeutet Fig. 1 eine Seitenansicht eines Drehrohrreaktors nach der Erfindung, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Austragendes des in Fig. 1 dargestellten Drehrrohrreaktors und Fig. 3 einen Querschnitt des in Fig. 1 dargestellten Drehrohrreaktors entlang der Linie III-III in Fig. lvom Einführende aus gesehen.
Der in der Zeichnung dargestellte Drehrohrreaktor besitzt ein im Winkel d gegen die Horizontale geneigtes Rohr 1, das von einem Isoliermantel etwa aus Schaumstoff 2 umgeben ist. Das Rohr 1 ruht, wie insbesondere in Fig. 3 ersicht- licht ist, auf Rollen 3 und 4, von denen letztere mit Hilfe eines Motors 5 angetrieben ist und die Drehbewegung des Reaktors erzeugt.
Der Reaktor besitzt ein Einführende 6, ein Austragende 7 mit Hilfe einer speziellen noch näher erläuterten Austrageinrichtung sowie eine druckgesteuerte Gasentnahmeeinrichtung 8.
Im Inneren des Rohres 1 ist entlang seiner Länge im oberen Bereich ein Abstreifer 9 und eine Heizung mit Heizschlangen 10 angeordnet. Der Drehrohrreaktor dreht sich im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil in Fig. 3 angedeutet ist.
Mit dem Bezugszeichen 11 ist der Füllungsgrad oder Feststoffspiegel in dem Drehrohrreaktor in ruhendem Zustand gezeigt.
Die in Fig. 2 vergrößert dargestellte Austrageinrichtung besteht aus einem in das Austragende des Rohres 1 hineinragenden gebogenen Rohr 12, in welchem sich eine von dem Motor 13 angetriebene Austragschnecke 14 befindet. Da der Austrag in Form eines Pfropfens erfolgt, ist eine zusätzliche Drucksteuerung zur Vermeidung eines Ausströmens von Biogas nicht erforderlich. Das aus dem Rohr 12 austretende gefaulte Material 15 wird beispielsweise mit Hilfe von Wagen 16 direkt zur Deponie gebracht.
Die Eintrageinrichtung kann ähnlich wie die Austrageinrichtung ausgebildet sein und eine entsprechende angetriebene Schnecke enthalten. Diese steht in der Zeichnung senkrecht zur Papierebene und besitzt das Bezugszeichen 17.
Selbstverständlich können zahlreiche der geschilderten Merkmale des erfindungsgemäßen Drehrohrreaktors abgewandelt werden, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird. So kann beispielsweise statt der Heizschlangen im Inneren des Reaktors ein von Heizflüssigkeit durchströmter Heizmantel verwendet werden. So können als Heizmedium warme .Verbrennungsgase aus der Verbrennung eines Teils des entstandenen Biogases verwendet werden. Andere konstruktive Abwandlungen liegen für den Fachmann auf der Hand.
Beispiel Eine von Kunststoffen, Glas und Metall durch Vorsortierung und Siebung befreite Hausmüllfraktion mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 20 %, bezogen auf die Trockensubstanz, wurde mit Hilfe einer Hammermühle auf eine Korngröße von maximal 3 mm zerkleinert. Der zerkleinerte Hausmüll wurde mit Primär-Klärschlamm mit einem Wassergehalt von 90 % in einem Mischungsverhältnis von 60 % Hausmüll zu 40 % Klärschlamm vermischt.
Dieses Gemisch wurde 5 Tage in üblicher Weise durch saure anaerobe Gärung vorkonditioniert, wonach der Wassergehalt auf 60 % und der pH-Wert durch Zugabe von Kalk auf 7,5 eingestellt wurde.
Das solchermaßen behandelte Gemisch wurde nunmehr in den in der Zeichnung dargestellten Drehrohrreaktor kontinuierlich unter Sauerstoffabschluß eingespeist. In dem Drehrohrreaktor wurden thermophile Bedingungen bei 550 C gehalten. Die Verweildauer des Materials während der Faulung in dem Rehrohrreaktor lag bei 12 Tagen. Das entstandene Biogas wurde druckgesteuert über die Stirnseite- des Reaktors abgezogen. Von dem am Austragende entnommenen ausgefaulten Material wurden 10 % mit Hilfe einer Stickstoffpumpe zum Einführende des Drehrohrreaktors zurückgeführt.
Leerseite

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Biogas und Vorrichtung zur.

Durchführung dieses Verfahrens Patentansprüche 1. Kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Müll und Klärschlamm, dadurch gekennzeichnet, daß man den Müll auf eine maximale Korngröße von-weniger als 1 cm zerkleinert und in solchem Mengenverhältnis mit Klärschlamm vermischt, daß der Wassergehalt der Mischung 45 bis 79 Gewichts-% beträgt, die so erhaltene Mischung kontinuierlich mit einem pH-Wert zwischen 6,5 und 9,5 in einen Reaktor mit einer Einführöffnung einer hiervon getrennten Austragöffnung einspeist und in dem Reaktor unter äußerem Erwärmen und Sauerstoffausschluß fault, das gefaulte Material aus der Austragöffnung des Reaktors abnimmt, 5 bis 25 Gewichts-% des gefaulten Materials zur.Einführöffnung des Reaktors zurückführt und das bei der Faulung gebildete Biogas aus dem Reaktor abzieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Müll auf eine maximale Korngröße von weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm, besonders weniger als 2 mm, speziell weniger als 1,5 mm zerkleinert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Klärschlamm Primär-Klärschlamm, vorzugsweise einen solchen mit einem Wassergehalt zwischen 80 und 96 Gewichts-%, verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch aus Müll und Klärschlamm vor der Einführung in den Reaktor mit Hilfe einer aeroben Rotte oder einer sauren. anaeroben Gärung vorkonditioniert.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wassergehalt der Mischung auf 50 bis 65 Gewichts-% einstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH-Wert der Mischung auf 7 bis8,5 einstellt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem Reaktor unter mesophilen Bedingungen auf 30 bis 400 C oder unter thermophilen Bedingungen auf 50 bis 700 C erwärmt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reaktor einen geneigten Drehrohrreaktor verwendet.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man 1 bis 20 Gewichts-% des gefaulten Mateals als zur Einführöffnung des Reaktors zurückführt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verweilzeit auf 4 bis 40 Tage, vorzugsweise 4 bis 20 Tage einstellt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein geneigter Drehrohrreaktor mit einem Einführende (6) und einem Austragende (7) für Feststoffe, einem gasdicht abgeschlossenen Innenraum, einer Gasentnahmeeinrichtung (8), einer Heizeinrichtung (10) und einer Wärmeisolierung (2) für den Rohrmantel (1) ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehrohrreaktor 5 bis 150 (Winkel d) gegen die Horizontale geneigt ist.