DE3341691A1 - Verfahren und vorrichtung zur anaeroben behandlung organischer substanzen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur anaeroben
• Behandlung organischer Substanzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben Behandlung vorwiegend organischer Substanzen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Bisher werden zur anaeroben Behandlung organischer Substanzen vollvolumig gefüllte und in der Regel voll durchmischte Behälter verwendet, Die Behcliter haben als Ein- und Zweikammerbehälter oder als Wechselbehälter liegend oder stehend die verschiedensten geometrischen Formen mit Verfahrensabläufen geringer Unterscheidungsmerkmale. Bis auf die Zweikammersysteme findet eine Phasentrennung nicht statt und auch dort ist der bergang recht weitläufig, Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die Nachteile vollvolumig gefüllter und voll durchmischter Systeme zur anaeroben Behandlung organischer Substanzen zu vermeiden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß gelöst, indem die organischen Substanzen, insbesondere mit einer hohen Feststoffkonzentration, in ein langgestrecktes Volumen mit geringem Querschnitt und großer Länge aufgelöst wird durch eine Rinne aus flexiblem Materie14 in der die Phasen nacheinander im mesophilen und/ouer thermophilen Temperaturbereich ablaufen, Hierbei werden die Substanzen einer walkenden, peristaltischen Bewegung unterworfen, wodurch sie ohne große Scher;räSte schonend gemischt werden und in Längsrichtung der Rinne eine zwangsweise fortschreitende Bewegung ausführen. Im Gegensatz zu den vorbekannten Systemen ist es nur bei einer konsequenten Phasentrennung möglich, die einzelnen Verf ahrensphasen selektiv zu beeinflussen, um dadurch den Prozeßablauf hinsichtlich eines vermehrten Stoffumsatzes, Reduzierung der Verweilzeiten und einer besseren Faulraumausnutzung zu optimieren. Durch eine technische Umsetzung der natürlichen Vorgänge und Bewegungsabläufe im Verdauungsapparat und Darmtrakt, vorzugsweise bei Wiederkäuern, wie Peristaltik, Darmkontraktion, volle Einbettung des Prozesses in Wärme und Beeinflussung der einzelnen Phasen, wird der ausgezeichnete Wirkungsgrad in der Natur nachvollzogenO Eine erste Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß die Ränder der Rinne parallel zueinander in Intervallen eine auf- und abgerichtete Bewegung und die Rinne dadurch in sich eine schaukelnde Bewegung ausführt, wobei bei der Auf- und Abbewegung gleichzeitig von unten Taschen zur Erzeugung der walkenden Bewegung in die Rinne eingedrückt werden, um damit die Substanzen bei gleichzeitigem Vortrieb zu mischens In einer Fortbildung besteht das Verfahren aus folgenden einzeln oder nacheinander ablaufenden Phasenschritten: In einer Anfangsphase Zusetzung von Katalysatoren, Enzyme oder Ligninaufschließern, in einer Vorphase Einleitung einer aeroben Reaktion in den Substanzen, um diese auf eine Temperatur im mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich zu bringen, Einbringung der erwärmten Substanzen in eine Stickstoffatmosphäre und Einleitung der anaeroben Phase durch Impfung mit anaeroben Bakterien. Durch diese Selbstaufheizung erreicht man eine beträchtliche Energieersparnis.
• Nach der Erfindung besteht eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens darin, daß die Substanzen in mindestens eine Rinneneinheit eingefüllt sind, die Rinneneinheit aus einer Rinne aus flexiblen Material besteht, wobei die Rinne zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Trägern hängt, unter dem ersten Trägerpaar parallel zu diesem ein zweites Trägerpaar in einem derartigen Abstand angeordnet ist, daß zwischen dem zweiten Trägerpaar in Abständen angeordnete flexible Auflager die Rinne in ihrer Scheitellinie berühren oder diese taschenförmig eindrücken, wobei die beiden Träger auf jeder Rinnenseite in gleichen Abstand zueinander miteinander verbunden sind0 Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, die peristaltische Darmbewegung nachzuvollziehen.
• In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben0 Bs zeigen Fig. 1 eine Rinneneinheit im Schnitt nach der Linie 1-1 von Fig, 2, Fig0 2 eine Draufsicht auf die Rinneneinheit nach i.
• 1 aus Richtung des Pfeiles II von Fig. 1, Fig0 3 eine perspektivische Ansicht der Rinneneinheit von Fig. 1 und 2, Fig. 4 eine erste Ausführungsform eines Digestors, bestehend aus drei übereinander angeordneten Rinneneinheiten im Schnitt nach der Linie IV-IV von Fig. 5 und 6, Fig. 5 der Digestor nach Fig0 4 im Schnitt nach den Linien V-V von Fig0 4 und 6, Fig. 6 der Digestor nach Fig. 4 im Schnitt nach den Linien VI-VI von Fig0 4 und 5, Fig. 7 eine Darstellung der Wirkungsweise von zwei übereinander angeordneten Rinneneinheiten, Fig0 8 eine zweite Ausführungsform eines Digestors mit einem zentralen Hochtemperatur-Speicherkern im Schnitt, Fig. 9 eine Draufsicht auf das Rinnensystem des Digestors nach Fig0 8 in Kreisring- oder Viereckanordnung, Fig. 10a eine Draufsicht auf zwei parallel zueinander angeordnete Rinneneinheiten und Fig0 10b eine Darstellung der Wirkungsweise von parallel zueinander angeordneten Rinneneinheiten nach Fig. 10a im Querschnitt.
• In den Figuren 1, 2 und 3 ist eine Rinneneinheit 1 wiedergegeben, die das Kernstück der später beschriebenen Digestoren darstellt.
• Die Rinneneinheit 1 besteht aus einer Rinne 11 aus flexiblen Material. Die Rinne 11 ist zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Trägern 121, 122 aufgehängt.
• Unter dem ersten Trägerpaar 121, 122 ist parallel zu diesem ein zweites Trägerpaar 123, 124 in einem derartigen Abstand a angeordnet, daß zwischen dem zweiten Trägerpaar 123, 124 in Abständen angeordnete flexible Auflager 131, 132, 133, ... die Rinne 11 in ihrer Scheitellinie 5 berühren oder diese taschenförmig eindrücken0 Die beiden Träger 121, 123 hzw. 122, 124 auf jeweils einer Rinnenseite sind im gleichen Abstand a zueinander miteinander verbunden. Diese Verbindung kann durch flexible Bahnen 141, 142 erfolgen, es ist aber auch möglich, eine Verbindung durch starre Platten herzustellen0 Die flexiblen Auflager 131, 132, 133, eoe können beispielsweise aus Seilen bestehen, die zwischen dem Trägerpaar 123, 124 ausgespannt und in der Scheitellinie S mit der Rinne 11 verbunden sind. Es ist aber auch möglich, die winkelförmige Form der Seilauflager 13 durch ein zu der Scheitellinie S paralleles Spannseil zu erzeugen, das direkt unter der Scheitellinie S verläuft.
• Die Auflager 13 können aber auch aus entsprechenden Formteilen aus Metall, Kunststoff od, dglo bestehen, die mit Scharnieren am unteren Trägerpaar 123, 124 schwenkbar gelagert sind0 Es ist notwendig, daß die Auflager 131, 132, 133,e.. mit einem spitzen Winkel unterhalb der Rinnenlängsachse bzw. Scheitellinie 5 versehen -sind, da sonst, wie nachfolgend noch beschrieben wird , die Faulsubstanz F keine Bewegung in Längsrichtung der Rinneneinheit 1 erhält Das erfindungsgemäße Verfahren zur anaeroben Behandlung vorwiegend organischer Substanzen9 indem diese unter Sau erst offabschluß im mesophilen und/oder thermophilen Temperaturbereich gehalten werden, läuft derart ab, daß die Faulsubstanz F in der Rinne 11 einer walkenden, peristaltischen Bewegung unterworfen wird, unter deren Einfluß die Substanzen gemischt werden und in Längsrichtung der Rinneneinheit 1 eine fortschreitende Bewegung ausführen. Die walkende, peristaltische Bewegung wird in der Weise erzeugt, daß die Träger 121, 122 parallel zueinander eine auf- und abgerichtete Bewegung in entgegengesetzter Richtung entsprechend den Pfeilen P1, P2 ausführen, wobei bei der Auf- und Abbewegung gleichzeiJ-tig von unten Taschen zur Erzeugung der walkenden Bewegung in die Rinne 11 eingedrückt werden, um damit die Faulsubstanzen F bei gleichzeitigem Vortrieb zu mischen.
• Die vorstehend genannten, von unten in die Rinne 11 eingedrückten Taschen werden von den Auflagern 131, 132, 133, ... erzeugt, da das Trägerpaar 123, 124 über die Verbindungen 141, 142 die Auf- und Abbewegung mitmachen, Hierzu wird insbesondere auf Figur 7 hingewiesen, wo das Verhalten der Auflager 13 in den unterschiedlichen Phasen der Auf- und Abbewegung zu erkennen ist.
• In den Figuren 4, 5 und 6 sind verschiedene Schnitte durch eine erste Ausführungsform eines Digestors 2 mit Rinnen 21, bestehend aus beispielsweise drei übereinander angeordneten Rinneneinheiten 211, 212, 213 wiedergegeben, Es versteht sich, daß die drei Rinneneinheiten 211, 212, 213 nur als ein Beispiel für die Rinne 21 anzusehen sind. Es können in einem Digestor 2 sowohl mehrere als auch weniger Rinneneinheiten 21 verwendet werden.
• Die drei übereinander angeordneten Rinneneinheiten 211, 212, 213 sind in der Weise miteinander verbunden, daß das zweite Trägerpaar 223, 224 einer ersten Rinneneinheit 211 gleichzeitig das erste Trägerpaar 223, 224 einer zweiten Rinneneinheit 212 ist0 Über einen Zulauf 231 werden die Faulsubstanzen F dem Digestor 2 zugeführt und durch die walkende Bewegung der Rinneneinheiten 211, 212, 213 zunächst auf der Rinneneinheit 211 entlang befördert. Am hinteren Ende der Rinne 211 fallen die Substanzen F über eine Rutsche 241 auf die nächste Rinne 212 herunter, wandern in die entgegengesetzte Richtung und fallen dort über eine zweite Rutsche 242 auf die Rinne 213, auf der sie den Auslauf 232 erreichen.
• Der Digestor 2 ist mit einer thermischen Isolierung 25 versehen, die dafür sorgt, daß nur geringe Wärmeverluste auftreten. Der Hohlraum 251 wird beheizt und bestimmt damit die Temperatur im Innenraum des Digestors 2. Zur Durchführung der peristaltischen Bewegung befindet sich im oberen Teil des Digestors 2 eine durch einen Getriebemotor 27 hin- und herdrehend angetriebene Welle 26o Von dieser Welle 26 gehen Seilzüge 281, 282, 283 und 284 zu den Rändern der Rinneneinheit 211o Der Getriebemotor 27 ist so gesteuert, daß er eine bestimmte Anzahl von Drehungen in der einen Drehrichtung und darauf die glei- che Anzahl von Drehungen in die entgegengesetzte Drehrichtung ausführt. Über die Seilzüge 281, 282, 283 und 284, die an der Welle 26 befestigt sind und die Drehbegung der Welle 26 mitmachen, führen die Rinnen 211, 212, 213 die an Hand der vorhergehenden Figuren 19 2 und 3 beschriebene walkende Bewegung aus G Durch di' gewichtsausgeglichene Aufhängung der Rinnen 211, 121, 213 ist die am Getriebemotor 27 erforderliche Antriebsleistung sehr gering. Die Antriebsleistung und die Dimensionen der zugbeanspruchten Bauteile, vorwiegend be größeren Digestoren, kann dadurch noch verringert werden, daß die Rinnenetagen in ein Wasservolumen W hineingehängt werden, so daß durch die Wasserverdrängung das Gewicht der Rinnen mit den Faulsubstanzen ausgeglichen wirdq Figur 7 zeigt die einzelnen Phasen der walkenden Bewegung.
• Ausgezogen und gestrichelt ist der Bewegungszustand wiedergegeben, wenn die linke Seite mit den Trägern 221, 223 angehoben und die rechte Seite mit den Trägern 222, 224 abgesenkt ist; strichpunktiert der entgegengesetzte Bewegungszustand. Wie vorstehend bereits beschrieben worden ist, wird die Auf- und Abbewegung der Rinnenränder und dadurch, daß von unten Taschen in die Rinne 21 eingedrückt werden, die Faulsubstanzen F bei gleichzeitigem Vortrieb gemischt, Bei mehreren Rinneneinheiten 211, 212, 213 wird dieser Vorgang ab der zweiten Rinne 212 von oben noch dadurch unterstützt und intensiviert, daß der Scheitelbereich S der Unterseite der oberen Rinne 211 mit den flexiblen Auflagern in die Substanzen F der darunter liegenden Rinne 212 eintaucht, das Abrollen der Substanzen bei der schaukelnden Bewegung im Eintauchbereich verhindert und bremst, so daß es zu einem zusätzlichen inneren Mischvorgang kommt In den Figuren 8 und 9 ist eine zweite Ausführungsform eines Digestor 3 wiedergegeben. Figur 8 zeigt einen Schnitt durch den Digestor 3 und Figur 9 eine Draufsicht auf das Rinnensystem des Digestors 3. Das Rinnensystem besteht in dem wiedergegeben Beispiel aus acht übereinander angeordneten Rinnen 31, die in der Draufsicht beispielsweise Kreisringform oder Vierkantform haben, Zur Verringerung des Zeichenaufwandes sind in Figur 9 in einer Zeichnung beide Möglichkeiten, nämlich Kreisringform in der linken Hälfte oder Vierkantform in der rechten Hälfte der Zeichnung wiedergegeben. Es sind aber auch noch andere Formen möglich. Das Rinnensystem 31 ist auf allen Seiten von einer thermischen Isolation 321, 322, 323 umgeben. Im Zentrum des Digestors 3 ist ein Kern 34 aus keramischen Material vorhanden, der durch das Faulgas, welches sofort nach seinem Austritt aus dem Digestor 3 verbrannt wird, auf Temperaturen von 7000cm bis 8000C aufgeheizt wird. Diesem Hochtemperaturkern 34 wird bei Bedarf die Wärme durch Eindrücken von Preßwasser entzogen, wodurch Dampf erzeugt wird, der insbesondere für Antriebszwecke verwendet werden kann.
• Es ist aber auch möglich, daß der Hochtemperaturkern 34 mit einer Pyrolysevorrichtung zu deren Wärmeversorgung thermisch gekoppelt wird, bzw. eine Einheit bildet, in der die Pyrolyse der im Digestor nicht vergärbaren Substanzen erfolgt.
• Bei dem Digestor 3 wird das die Faulsubstanzen enthaltende Rinnensystem 31 durch die Verlustwärme des Hochtemperatur-Speicherkerns 34 auf der notwendigen Arbeitstemperatur im mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich gehalten. Um den Wärmefluß vom Speicherkern 34 zum Rinnensystem 31 regeln zu können. sind in der thermischen Isolierung 321 Öffnungen 33 vorhanden, die durch Verschlußscheiben aus thermischen Isoliermaterial thermisch verschlossen werden können, so daß eine Regelung des Wärmeflusses vom Kern 34 zum Rinnensystem 3 möglich ist.
• Wie aus den in den Figuren 10a, 10b wiedergegebenen Rinnensystem zu entnehmen ist, können in einem Digestor zwei parallele Rinneneinheiten 41, 42 mit gleichem oder unterschiedlichen Rinnenquerschnitten in der Weise miteinander verbunden sein, daß sie in der Mitte einen gemeinsamen Träger 43 besitzen. Der Bewegungsablauf des Rinnensystems ist in Figur lOb wiedergegeben.
• Eine weitere Verbesserung der Durchmischung der Faulsubstanz F kann noch dadurch erreicht werden, daß die flexiblen Auflager 131, 132, 133... bei zwei übereinanderliegenden Rinneneinheiten 211, 212 um den halben Abstand zweier Auflager gegeneinander versetzt sind.
• Mit der vorstehend beschriebenen Biogasanlage ist es unter anderem auch möglich, Abfall-Biomassen, wie z.B. Gras, zu verwerten. Hierbei geht man zweckmäßigerweise so vor, daß die Biomasse in einem Hochsilo einem Gärprozess, auch als Silierprozess bekannt, unter Luftabschluß unterworfen wird.
• Es entsteht hierbei in der Biomasse hauptsächlich Milch- und Buttersäure. Hierbei braucht der Silierorozess nicht wie bei der Futtererzeugung optimal abzulaufen. Durch die Bildung von Milch- und Buttersäure ist die sauere Phase eines sich in der Biogasanlage anschließenden anaeroben Prozesses bereits vorweggenommen. Bei der Grassilage handelt es stich um ein haltbar konserviertes Energiepotential, daß, der Biogasanlage zugeführt, sofort in die Methanphase übergeht. - Leerseite -

Claims (1)

1. Patent ansprüche 1. Verfahren zur anaeroben Behandlung vorwiegend organischer Substanzen, indem diese unter Sauerstoffabschluß im mesophilen oder thermiphilen Temperaturbereich gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen, insbesondere mit hohem Feststoffanteil, in einer Rinne aus flexiblen Material unter Phasentrennung im mesophilen und/oder thermophilen Temperaturbereich einer walkenden, peristaltischen Bewegung unterworfen werden, unter deren Einfluß die Substanzen gemischt werden und in Längsrichtung der Rinne eine fortschreitende Bewegung ausführen, 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Rinne parallel zueinander eine auf- und abgerichtete Bewegung und Rinne dadurch in sich eine schaukelnde Bewegung ausführt, wobei bei der Auf und Abbewegung gleichzeitig von unten Taschen zur Erzeugung der walkenden Bewegung in die Rinne eingedrückt werden, um damit die Substanzen bei gleichzeitigem Vortrieb zu mischen, 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende einzeln oder nacheinander ablaufende Phasenschritte: Zusetzung von Katalysatoren, Enzyme oder Ligninaufschließern, Einleitung einer aeroben Reaktion in den Substanzen um diese auf eine Temperatur im mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich zu bringen, Einbringung der erwärmten Substanzen in eine Stickstoffatmosphäre und Einleitung der anaeroben Phase durch Impfung mit anaeroben Bakterien.

   4. Verfahren zur Speicherung des nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 erzeugten Biogases, dadurch gekennzeichnet, daß das Biogas sofort verbrannt, die entstehende Wärmeenergie in einem Hochtemperaturspeicherkern gespeichert und bei Bedarf durch Eindrücken von Preßwasser in den Hochtemperatur-Speicherkern Dampf, insbesondere für Antriebszwecke, erzeugt wird.

   5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Biogas sofort verbrannt und die entstehende Wärmeenergie in einem Hochtemperatur-Speicherkern gespeichert wird, wobei der Speicherkern mit einer Pyrolyse-Vorrichtung zu deren Wärmeversorgung eine Einheit bildet, in der die Pyrolyse der nicht vergärbaren Substanzen erfolgt, 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faulsubstanzen ( F ) in mindestens eine Rinneneinheit ( 1 ) eingefüllt sind, die Rinneneinheit ( 1 ) aus einer Rinne ( 11 ) aus flexiblen Material besteht, wobei die Rinne ( 11 ) zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Trägern ( 121, 122 ) hängt, unter dem ersten Trägerpaar ( 121, 122 ) parallel zu diesem ein zweites Trägerpaar ( 123, 124 ) in einem derartigen Abstand ( a ) angeordnet ist, daß zwischen dem zweiten Trägerpaar ( 123, 124 ) in Abständen angeordnete Auflager ( 131, 132, 133 o..) die Rinne ( 11 ) in ihrer Scheitellinie ( S ) berühren oder diese taschenförmig eindrücken, wobei die Träger ( 121, 123; 122, 124) auf jeder Rinnenseite in gleichem Abstand ( a ) zueinander miteinander verbunden sind0 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Auflager ( 13 ) unter den erforderlichen Winkeln gegenüber der Rinl-lenlangsachse ( S ) angeordnet sind.

   8. Vorrichtung nach den Ansprüchen O oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung zweier übereinander angeordneter Rinneneinheiten ( 211, 212 ) derart vorgenommen ist, daß das zweite Trägerpar ( 223, 224 ) einer ersten oberen Rinneneinheit ( 211 ) gleichzeitig das erste '2rägerpaar ( 223, 224) einer zweiten tieferen Rinneneinheit ( 212 ) ist.

   9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Rinneneinheiten ( 41, 42 ) mit gleichen oder unterschiedlichen Querschnitten in der Weise miteinander verbunden sind, daß sie'in der Mitte einen gemelnsamen Träger ( 43 ) besitzen.

   10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 4 oder 5, gekennzeichnet durch Rinneneinheiten ( 31 ), die in ein vJrmespeichersystem ( 32 ) mit zentralem Hochteperaturkern ( 34 ) und nach außen abfallenden Temperaturniveau um den Kern ( 74 ) herum, eingebettet sind ( Fig .8, 9 ).