DE3427976C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Biogasreaktor zur anaeroben Behandlung von organischen Substraten zur Erzeugung von Biogas gemäß Überbegriff des Anspruchs 1.

Seit der Energiekrise 1973 wurde ein Umdenkprozeß in der Industrie und Landwirtschaft eingeleitet, da die Energieversorgung für viele Betriebe zu einer Rentabilitätsfrage wurde.

Durch neue Technologien wie Wärmerückgewinnung, Energieverbund, Mikroelektronik, Einsatz von wärmedämmenden Baustoffen usw. konn­ ten bereits substantielle Energien eingespart werden. Als alter­ native Energiequellen wie Erd- und Sonnenwärme stehen insbesondere für die hier beschriebene Erfindung Abfallprodukte in landwirt­ schaftlichen und industriellen Betrieben zur Diskussion. Diese Abfallprodukte fallen als sogenannte Biosubstrate in Form von flüssigen Exkrementen von Tieren - auch Gülle genannt - in land­ wirtschaftlichen Betrieben, landwirtschaftlichen Brennereien und Schlachthöfen an, wobei die pflanzlichen Substrate und Biomassen als Schlempe bzw. Abwasser mit organisch hoher Schmutzfracht sowie als Gemüseabfälle in gewerblichen Brennereien, Konserven- und Lebensmittelfabriken anfallen.

In den Betrieben, wo der Flüssigmist von Tieren bzw. Abwasser mit einem hohen Anteil an organischer Schmutzfracht zur Verfügung steht, ist die Möglichkeit gegeben, eine Biogasanlage zu erstellen, um einen entsprechenden Anteil zur Verbrauchsdeckung von Heizöl, Erdgas und elektrischer Energie zu leisten.

Es handelt sich hier um eine Bio-Energieanlage, also eine Anlage, die Methangas aus den vorgenannten Substraten erzeugt, das sowohl in einem Wasser- oder Dampfkessel als auch in einem Ottomotor, der einen Drehstromgenerator antreibt, verbrannt werden kann.

Es ist bekannt, daß Bakterien abbaufähige organische Substanzen, also Kohlehydrate, Proteine und Fette sowohl unter Sauerstoff­ abschluß als auch bei Vorhandensein von Sauerstoff zerlegen bzw. abbauen können. Vorliegend handelt es sich um einen Prozeß, der bei völliger Dunkelheit und Sauerstoffabschluß in einem Substrat stattfindet; man spricht hier auch von einer anaeroben Fermenta­ tion.

Es steht der mesophile Temperaturbereich 32-38°C zur Diskussion, wobei der thermophile Temperaturbereich 53-58°C vorwiegend bei Substraten mit gefährlichen pathogenen Keimen infrage kommt. An der Biomethanisierung der organischen Substanzen, die in vier Phasen abläuft, sind nach den derzeitigen Erkenntnissen drei ver­ schiedene Bakteriengruppen beteiligt. In der hydrolytischen und säurebildenden Prozeßphase werden von den fakultativen anaeroben Bakterien mit fermentativer bzw. acidogener Charakteristik die organisch hochmolekularen Verbindungen mit Hilfe von Enzymen zu niedermolekularen Verbindungen wie Aminosäuren, Glycerin und Fett­ säuren hydrolysiert, wobei in einer weiteren Phase aus den Hydro­ lyseprodukten Essig-, Butter-, Propion-, Valerian-, Capron-, Ameisen- und Milchsäure sowie Ehtanol, Wasserstoff, Kohlendioxyd, Ammoniak und Schwefelwasserstoff produziert werden.

Die Zusammensetzung dieser Stoffwechselprodukte wird allerdings in entsprechendem Maße durch den Wasserstoffpartialdruck beein­ flußt. Während bei einem niedrigen H₂-Druck bzw. einer mittleren Raumbelastung mehr Propionsäure gebildet wird, entsteht bei einem hohen H₂-Druck bei mittlerer Raumbelastung mehr Valeriansäure. Darüber hinaus wirkt ein hoher Wasserstoffpartialdruck als Inhibitor bei der Katalisierung von Essigsäure.

Die essigsäure- und wasserstoffbildende Prozeßphase wird von den obligaten anaeroben Bakterienstämmen, jedoch mit acetogener Charakteristik, übernommen, wobei von dieser Gruppe die lang­ kettigen Fettsäuren, organischen Säuren, Alkohole und Aromaten zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxyd abgebaut werden.

Das Ausgangsprodukt für die Methanbakterien - es handelt sich auch hier um die obligaten Anaerobier - welche eine methanogene Charakteristik aufweisen, sind in erster Linie Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxyd, die in letzter Instanz zu Methan­ gas (CH₄) und Kohlendioxyd (CO₂) umgewandelt werden. Es ist hier­ bei interessant, daß die Methanbakterien zum Wachstum ein Redox­ potential von -330 m Volt benötigen, sowie in einer räumlich engen Symbiose mit den acetogenen Bakterien leben, ph-Wert-empfindlich sind und keine schwankenden Substrattemperaturen vertragen. Darüber hinaus ist diese Lebensgemeinschaft besonders empfindlich gegen einwirkende Scherkräfte, z. B. durch Rührwerke. Auch die An­ wesenheit von gelöstem Sauerstoff ist für die Methanbakterien teilweise tödlich.

Da der H₂-Partialdruck im Substrat niedrig sein soll, müssen Kopplungsreaktionen stattfinden, wie z. B.

4 H⁺ + 4 NAD(P)H → 4 NAD(P)⁺ + 4 H₂ + 18,4 E

4 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O - 33,2 E

Gesamtreaktion

4 H⁺ + 4 NAD(P)H + CO₂ → 4 NAD(P)⁺ + CH₄ + 2 H₂O - 14,8 E

NAD= Nicotinamidadenindinucleotid E= Freie Energie (KJ/Mol).

Ein besonderer Aspekt für die Reduzierung des Wasserstoffpartial­ druckes sind die in den Methanbakterien gefundenen Coenzyme, ins­ besondere NAD, welche mittels eines chemieosmotischen Stoffwechsel­ prozesses für den Abbau des H₂-Druckes sorgen.

Durch eine Reduzierung des H₂-Druckes erfolgt auch ein ent­ sprechender Einfluß auf die freie Energie, d. h., daß mit ab­ nehmendem H₂-Partialdruck sich die Umsetzung von organischen Verbindungen von einem endergonen zu einem exergonen Prozeßab­ lauf ändert.

Da es sich bei den ersten Prozeßphasen um einen sogenannten sauren biologischen Prozeßablauf handelt und die Methanbakterien ihre Lebenstätigkeit nur in einem schwach alkalischen Medium ent­ falten können, ist es daher von Bedeutung, daß die einzelnen Prozeßphasen in einem sogenannten Gleichgewicht stehen. Sollten sich nämlich die organischen Säuren anhäufen, was auch an dem gemessenen pH-Wert festgestellt werden kann, so ist dies ein Zeichen dafür, daß aus irgendeinem Grund die Abbautätigkeit der säureproduzierenden Bakterien die der säureverbrauchenden Bakterien überwiegt und damit das Gleichgewicht gestört ist, d. h., daß die Methanbakterien gelähmt werden und damit der Faulprozeß umkippt, soweit nicht entsprechende Gegenmaßnahmen zur Unterstützung der letzten Prozeßphase getroffen werden.

Sind die organischen Stoffe im Substrat mit einem entsprechenden Abbaugrad biomethanisiert, ist die technische Faulgrenze erreicht, d. h., daß das Substrat abgeschlammt bzw. ausgetragen wird. Das ab­ geschlammte Substrat - auch Faulschlamm genannt - ist fast geruch­ los, weitgehend hygienisiert, hat einen entsprechenden Nährstoff­ reichtum und kann als Dünger weiter verwendet werden.

Nach den bisherigen Gesichtspunkten hat sich für den Bau von Biogasanlagen in erster Linie der sogenannte Durchlaufreaktor - auch Anflow-Reaktor genannt - herauskristallisiert. Dieser Reak­ tor arbeitet einstufig, wobei das Substrat durchgemischt wird. In diesem Reaktor laufen alle vier geschilderten bio-technologi­ schen Phasen in einem Raum unter gleichen physikalischen Be­ dingungen ab. Es ist verständlich, daß bei diesem Verfahren keine optimalen Lebensbedingungen für die einzelnen Bakterienstämme vorhanden sind. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß der Reaktor sauer wird, d. h., der pH-Wert sinkt auf einen für die Methan­ bakterien nicht mehr zulässigen Wert unter 7 herab, da eine Über­ produktion an Säuren vorliegt.

Auch durch den Eintrag an toxischen Stoffen wie Sulfonamide, Kupfer-, Zink- und Chromverbindungen usw. sowie des Sauerstoff­ inhibitors wird die Stoffwechselproduktion der entsprechenden Ab­ bauphase gestört. Eine weitere Störung der Stoffwechselproduktion kann bei einem biologischen Abbau von Substraten, z. B. Schlempe mit hohen Sulfatanteilen, auftreten, da die Sulfatverbindung zu Schwefelwasserstoff reduziert wird und damit der gebildete H₂S- Gehalt den Prozeßablauf wesentlich beeinträchtigen kann.

Bei einer Abtötung oder Lähmung von Methanbakterien, also einer Störung der acetogenen-methanogenen Phase, wird weniger Wasserstoff abgebaut, d. h., der H₂-Partialdruck steigt. Da dieser als Inhi­ bitor für die acetogenen Bakterien wirkt, muß damit gerechnet werden, daß die Stoffwechselproduktion - insbesondere von Essig­ säure - dieser Bakterien zum Erliegen kommt sowie durch die H₂- Anreicherung stärker reduzierte Produkte gebildet werden.

Bei einem biologischen Abbau von Schlempe muß mit einem Schwefel­ wasserstoffgehalt im Biogas von ca. 2,5% gerechnet werden, das bedeutet, daß dieses Brenngas in einem Ottomotor ohne vorherige Elimination des H₂S-Anteiles nicht verbrannt werden kann.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei relativ großen Ver­ weilzeiten des Substrates nur wirtschaftliche Gasausbeuten von etwa 1-2 m³/d Biogas pro m³ Faulraum bzw. niedrige Abbaugrade der organischen Substanzen möglich sind.

Der Heizwert des Biogases beträgt bei einem Einstufenreaktor, der nach neuzeitlichen Verfahrenstechniken normale Substrate anaerob behandelt, 7 KWh/m³ _n bei einer Gaszusammensetzung von 70% Methan (CH₄), 29,7% Kohlendioxyd (CO₂) und 0,3% Schwefel­ wasserstoff (H₂S).

Aufgrund der vorgenannten Erkenntnisse ist schon vorgeschlagen worden, eine biotechnologische Trennung in die Hydrolyse- und Säurephase sowie in die Methanbildungsphase vorzusehen, um für die entsprechenden Bakterienkulturen optimale Lebensbedingungen zu schaffen, vgl. DE-OS 31 02 739.

Es ist dabei von Bedeutung, daß die Säure- bzw. Methanbildungs­ phase nicht in zwei getrennt aufgestellten Reaktoren abläuft, da bei dieser Systemlösung die Bildung von Essigsäure durch den H₂-Partialdruck beeinflußt wird, sondern daß die Hydrolyse- und Säurephase sich in einem kombinierten Reaktor abspielt. In diesem Zweistufen-Reaktor wird durch die anwesenden Methanbakterien der Wasserstoffpartialdruck im Säurereaktor entsprechend reduziert und damit der pH-Wert entsprechend eingestellt, wobei gleichzeitig mehr Essigsäure sowie eine optimale Zusammensetzung an besser ab­ baubaren Stoffwechselprodukten wie Essig-, Butter-, Capronsäure und Ethanol gebildet wird. Die Reduzierung des H₂-Partialdruckes findet bei dieser Verfahrenstechnik in Form einer Kopplungsreaktion - die auch als Stoffaustausch bezeichnet werden kann - durch Methan­ bakterien bzw. den universellen Wasserstoffträger NAD sowie anderer Coenzyme statt. Bei dieser Kopplungsreaktion ist der Diffusions­ strom von Wasserstoffmolekeln und Elektronen durch den Ringspalt maßgebend.

Ein weiterer konstruktiver Punkt ist die Aufteilung der Fermen­ tationsräume I und II, also der Säure- bzw. Methanbildungsphase mit einem Volumenverhältnis von vorzugsweise 1 : 10.

Es ist bekannt, daß in einer Versäuerungsstufe, je nach Milieube­ dingungen des Substrats, erheblich mehr Bakterien - bedingt durch die kurzen Generationszeiten der fakultativen Anaerobier - vorhanden sind, als in einem Methanreaktor. Durch diese Erkenntnis liegt ein unter­ schiedliches Produktionsverhältnis zwischen Säure- und Methan­ bakterien vor bzw. ist eine Raumbelastung des Hydrolyse- und Versäuerungs-Reaktors um mehr als das Zehnfache eines Einstufen­ reaktors möglich, ohne daß eine wesentliche Minderung der er­ zeugten Stoffwechselprodukte bzw. Abbaugrade in der Stufe I auftritt. Darüber hinaus kann bei einer hohen Raumbelastung mit pH-Wert-Einstellung eine weitgehende Stabilität der produzierten Stoffwechselprodukte erwartet werden. Auch die Zusammensetzung und Verteilung der produzierten Stoffwechselprodukte wie Essig-, Butter-, Valerian-, Capron-, Ameisen- und Milchsäure sowie Ethanol, Wasserstoff und Kohlendioxyd, kann in der Fermentationsstufe I bei der mesophilen Temperatur von 30°C im pH-Wertbereich von 5 bis 6 unter Anwendung des geschilderten Verfahrens sowie der fixierten Raumaufteilung und hohen Raumbelastung der Hydrolyse- und Versäuerungsstufe als optimal erwartet werden. Bei einem pH-Wert von 5-6 ist mit einer max. Wachstumsrate der säure­ bildenden Bakterien zu rechnen. Die im Säurereaktor individuell produzierten Stoffwechselprodukte lassen sich im Methanreaktor schneller und besser in das Endpro­ dukt Methangas und Kohlendioxyd umwandeln, wobei die wasserstoff­ verwertenden Methanbakterien ihre volle Leistungsfähigkeit in der Fermentationsstufe II entfalten können. Bei diesem Verfahren sind die Stoffwechselleistungen der einzelnen Abbauphasen wesent­ lich höher als in einem Einstufenreaktor bzw. wird durch die geringere Kohlenstoff-Investition in die Bakterienkultur mehr Methan synthe­ tisiert.

Darüber hinaus findet durch die verfahrenstechnische Prozeßführung im Methanreaktor eine vermehrte Adaption der symbiotischen Popula­ tion von CO₂ verarbeitenden methanogenen Bakterienstämmen statt, d. h., daß die Bildung von Essigsäure in der Fermentationsstufe II gemäß nachstehender Gleichung erfolgt.

2 CO₂ + 4 H₂ → CH₃COOH + 2 H₂O

Durch diese Konsequenz wird der CO₂-Partialdruck herabgesetzt und damit eine höhere Acetatumsetzung zu Methangas möglich.

CH₃COOH → CH₄ + CO₂ - 32 E

Das DE-GM 81 29 366.6 zeigt eine Vorrichtung zur Verarbeitung einer Biomasse zu Biogas mit einem Säurebehälter als ersten Reaktorraum und einem Faulbehälter als zweitem Reaktorraum. Die Gasräume beider heizbaren Behälter stehen in offener Ver­ bindung miteinander, wobei keine unmittelbare Verbindung des Substrates im Säurebehälter mit dem Substrat im Faulbehälter besteht. Die Biomasse wird in den zentralen Säurebehälter ge­ geben und gelangt von dort alle drei Tage durch Überlauf in den Faulbehälter, in dem eine Umwälzung der zu vergasenden Biomasse erfolgt und eine Temperatur von 37°C bis 56°C eingestellt wird. Die bekannte Vorrichtung weist Nachteile auf. Wie schon beschrie­ ben, erfolgt im ersten Reaktorraum (Säurebehälter) durch hydro­ lytische und säurebildende (fermentative) und Essigsäure und Wasserstoff bildende (acetogene) Bakterien letztendlich im wesent­ lichen ein Abbau der Biomasse zu Essigsäure, Wasserstoff und Koh­ lendioxid. Essigsäure ist das Hauptausgangsprodukt für die methano­ genen Bakterien, aus dem etwa 70% des Methangases erzeugt werden. Essigsäure, die nicht in Lösung gegangen ist, sammelt sich aufgrund ihrer relativ höheren Dichte vor­ wiegend in Bodennähe an, was bedeutet, daß durch das bekannte Überlaufsystem Essigsäure nur zum Teil in den zweiten Reaktorraum überführt wird, leichtere und schwer abzubauende Stoffwechselpro­ dukte dagegen in relativ großen Mengen. Dies bedeutet größere Verweilzeiten und eine geringere Methanausbeute und somit einen verringerten Abbaugrad der organischen Substanzen. Durch die gas­ mäßige Verbindung der Gasräume der beiden Reaktorräume stellen sich bezüglich sämtlicher entstehenden Gase, insbesondere be­ züglich Methan, Kohlendioxid, Wasserstoff und Schwefelwasser­ stoff, gleiche Gaspartialdrücke des im Substrat in Lösung ge­ gangenen Gases ein, d. h., daß die endergonen bzw. exergonen Biosyntheseschritte in beiden Fermentationsräumen völlig gleich verlaufen, und daher eine Trennung der hydrolysierenden-versäuern­ den Phase von der acetogenen-methanogenen Phase nicht zustande kommt. Es handelt sich daher hier um eine Hintereinanderschal­ tung von zwei einstufigarbeitenden Methanreaktoren, da sich im Säurereaktor ein pH-Wert von 5 nicht einstellen kann. Das Vor­ handensein von Schwefelwasserstoff ist darüber hinaus wegen der toxischen Wirkung auf die methanogenen Bakterien nachteilig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Biogasreaktor der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein höherer Abbaugrad bei kurzen Verweilzeiten erzielt wird sowie ein größerer Anteil an hochwertigem Methan synthetisiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung findet eine kontinuierli­ che Reduzierung des Wasserstoff-Partialdruckes über den Ringspalt bzw. der abgesetzten Produkte im ersten Reaktorraum statt, wobei sich in Verbindung mit der vorgesehenen mechani­ schen Umwälzung nach dem Kreisprinzip in der Hydrolyse- und Versäuerungsstufe ein gleichmäßiger und für das Wachstum der Bakterien optimaler Wasserstoff-Partialdruck - was einem pH- Wert von 5-6 entspricht - aufbaut. Durch die Erfindung wird ein erhöhter Anteil an Essigsäure im ersten Reaktorraum synthetisiert und im zweiten Reaktorraum produziert und damit die weniger erwünschte Produktion von Propion- und Valeriansäure weitgehend verhindert. Die vollkommene Trennung des Gasraumes des ersten Reaktorraumes, in dem sich ein Gas je nach Substratart mit einer Zusammensetzung von ca. 97% CO₂ und 3% H₂S bildet, von dem Gasraum des zweiten Reaktorraumes, in dem sich ein Gas mit einer Zusammensetzung von ca. 80% CH₄ und 20% CO₂ entwickelt, gewährleistet die Einstellung individueller bzw. optimaler Gaspartialdrücke im Substrat. Durch den im ersten Reaktorraum hohen Anteil an CO₂ erfolgt eine pH-Wert-Erniedrigung im Substrat. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zweistufenverfahren werden die hydrolysierenden- säurebildenden Bakterien von den acetogenen-methanogenen Bakterien getrennt und für die Mikroorganismen optimale Lebensbedingungen geschaffen, d. h., daß die entsprechenden Bakterien ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten können und daher die Verweilzeiten der Substrate in dem kombinierten Reaktor verringert werden. Darüber hinaus wird unter diesen biotechnologischen Gegebenheiten eine geringere Menge an Koh­ lenstoff in die Zellsubstanz der Bakterienpopulation syntheti­ siert. Es wird somit ein höherer Abbaugrad der organischen Sub­ stanzen und eine höhere Ausbeute an Methan erreicht, wobei ein Methananteil im Biogas von über 80% erreichbar ist. Das produzierte Biogas ist fast völlig frei von dem im ersten Reaktorraum erzeugten unerwünschten Anteil an Schwefelwasserstoff.

Bei der Beschickung des ersten Reaktorraumes strömen die produ­ zierten Stoffwechselprodukte der ersten Fermentationsstufe durch den Ringspalt, werden mit Belebtschlamm der zweiten Fermentationsstufe des zweiten Reaktorraumes im Mischinjektor substratschonend, d. h. ohne Einwirkung von Scherkräften, durchmischt und über die von der zylindrischen Wand umschlos­ sene zylindrische Kammer in den zweiten Reaktorraum im Kreise mit Rückvermischung gefördert, wodurch eine ausgezeichnete Ver­ teilung der Stoffwechselprodukte für einen hochgradigen und schnellen Abbau erreicht wird.

Die doppelwandig ausgeführte Zylinderwand hat zusätzlich die Funktion einer Wärmedämmung, insbesondere durch das über den Zwischenraum zugeführte Biogas. Durch die Wärme­ dämmung wird erreicht, daß in den Reaktorräumen insbesondere mit unterschiedlichen Substrattemperaturen gefahren werden kann. Dies ist von Bedeutung, da für die Hydrolysierung und Versäuerung der organischen Substanzen eine Temperatur von 30 bis 32°C optimal ist und in der acetogenen methanogenen Phase eine Temperatur von 35 bis 37°C optimal ist.

Durch den hochgezogenen Kegelboden des ersten Reaktorraumes ge­ mäß Anspruch 2 können sich keine Sedimentationsschichten bil­ den. Die in den ersten Reaktorraum geförderten und nicht abbau­ baren Stoffe rutschen auf dem Kegel in den zweiten Reaktorraum und können von dort abgeschlammt bzw. ausgetragen werden.

Die Strahlpumpe gemäß Anspruch 3 mit seitlich offener Düsenmischkammer saugt Substrat von unten aus dem ersten Fer­ mentationsraum an, wobei das Verhältnis von Belebtschlamm zum eingespeisten frischen Substrat vorzugsweise mindestens 3 : 1 beträgt. Die Substratumwälzung erfolgt im Kreis mit Rück­ mischung. Gleichzeitig wird durch den Flüssigkeitsstrahl der Strahlpumpe eine eventuell gebildete Schwimmdecke aufgebrochen und aufgelöst. Darüber hinaus werden während der hydraulischen Umwälzung die im seitlichen Kegelboden sedimentierten Stoff­ wechselprodukte nicht gestört bzw. aufgewirbelt.

Bei Biogas-Reaktoren mit einem Inhalt unter 300 m³ befindet sich der erste Reaktorraum in der Mitte des zweiten Reaktorrau­ mes. Bei Biogas-Reaktoren mit einem Inhalt größer als 300 m³ werden normalerweise mehrere einzelne Reaktorräume für den er­ sten Fermentationsprozeß eingesetzt, wie dies im Anspruch 3 angegeben ist.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Biogas-Reaktor,

Fig. 2 schematisch einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Biogas- Reaktor mit mehreren Reaktorräumen für den ersten Fermanentationsprozeß,

Fig. 3 schematisch die Ausbildung der bei den Biogas-Reaktoren nach Fig. 1 und 2 vorgesehenen Wärmetauschern und

Fig. 4 eine bevorzugte Ausbildung eines beim erfindungsgemäßen Biogasreaktor vorgesehenen Mischinjektors.

Die Zeichnung zeigt einen kombinierten Biogas-Reaktor mit einem ersten Reaktorraum 1 und einem zweiten Reaktorraum 2. Im ersten Reaktorraum, der innerhalb des zweiten Reaktorraumes angeordnet ist, findet ein erster Fermentationsprozeß (Hydrolyse- und Säure­ bildung) und im zweiten Reaktorraum ein zweiter Fermentations­ prozeß (Methanbildung) statt.

Der erste Reaktorraum 1 weist einen hochgezogenen Boden mit kegelförmiger Bodenfläche 19 auf und wird gebildet von einem doppelwandigen Zylinder 8, zwischen dessen Wänden ein ring­ zylindrischer Zwischenraum 40 gebildet ist. Der Zylinder 8 endet oberhalb des kegelförmigen Bodens 19, so daß zwischen Zylinder 8 und Boden 19 ein Ringspalt 11 gebildet wird, über den der erste Reaktorraum 1 mit dem zweiten Reaktorraum 2 in offener Verbindung steht. Das untere Teil des doppelwandigen Zylinders 8 ist als Mischinjektor 10 ausgebildet.

Die Zylinderwand 8 wird von einem weiteren Zylinder 9 beabstandet umgeben, so daß eine zylindrische Ringkammer 44 gebildet wird, die als Überlaufkammer ausgebildet ist und beabstandet zum Boden des zweiten Reaktorraumes 2 endet, so daß ein weiterer Ringspalt 46 gebildet wird, der wie auch der Ringspalt 11 in eine Injektions­ mischkammer 45 führt, die begrenzt wird vom Kegelboden 19, der zylindrischen Wand 9 sowie vom Mischinjektor 10. Über den Zwischen­ raum 40 kann Biogas unter Druck mittels eines Gasverdichters 5 dem Mischinjektor zugeführt werden. Der Saugstutzen des Gasver­ dichters 5 ist an einen Biogasraum 42 des Reaktorraumes 2 ange­ schlossen und der Druckstutzen des Gasverdichters ist mit dem Zwischenraum 40 des Doppelwandzylinders 8 verbunden.

Das untere Ende des Zylinders 9 ist als Wärmetauscher 12 ausge­ bildet. Mit Hilfe des Mischinjektors 10 wird eine hydraulische Kreisumwälzung des Substrates im Reaktorraum 2 hervorgerufen, wie dies durch die Linie 48 angedeutet ist. Eine weitere thermische Zirkulation des Substrates wird durch den Wärmetauscher 12 hervor­ gerufen. Diese thermische Zirkulation überlagert die hydraulische Umwälzung.

Im Reaktorraum 1 ist oberhalb des Kegelbodens 19 zentral eine Strahlpumpe 7 mit seitlich offener Düsenmischkammer angeordnet, die das Substrat im Reaktorraum 1 von unten ansaugt und nach oben pumpt. Die Strahlpumpe 7 ist umgeben von der Wendel eines rohrförmigen Wärmetauschers 6, der damit als Leitrohr wirkt, wie auch die ringförmige Zwischenkammer 44, wodurch eine hydrau­ lische Kreisumwälzung des Substrates im Reaktorraum 1 bewirkt wird, wie dies durch die Linien 50 angedeutet ist. Diese hydrau­ lische Umwälzung wird überlagert von einer thermischen Zirkula­ tion, die hervorgerufen wird durch den Wärmetauscher 6.

Die Vorlauf- und Rücklaufanschlüsse der Wärmetauscher 12 und 6 sind mit den Bezugszeichen 15 und 20 bzw. 16 und 18 bezeichnet. Die gewendelten Wärmetauscherrohre 23 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff (beispielsweise Polypropylen) (Fig. 3). Als Stützkonstruktion dienen jeweils zwei einzelne U-förmige Rohre 24, die gleichzeitig Verteilerrohre für den Vorlauf und den Rücklauf bilden. Die Rohre werden mittels justierbarer Rohrbuchsen 26 durch die Reaktorwand geführt. Mit dem Bezugszeichen 25 ist ein Entlüftungsventil bezeichnet. Die im Fermentationsraum 2 biologisch abgebauten Substanzen sammeln sich in dem umlaufenden trichter­ förmigen Boden 29.

Im Reaktorraum 2 sind noch zwei Austragsstutzen 13 und 14 ange­ ordnet, die wahlweise über ein Drei-Wegeventil 21 mit einem Doppel- U-Rohr 22 verbindbar sind zum Austragen biologisch abgebauter Sub­ strate. Austragsstutzen 13 befindet sich in Bodennähe und der Aus­ tragstutzen 14 etwa in halber Höhe des Reaktorraumes 2. Der erste U-Rohr-Schenkel 28 ist über eine Leitung 30 mit dem Biogasraum 42 verbunden.

Das im Reaktorraum 2 entstehende Biogas CH₄ + CO₂ ist über ein Absperrorgan 3 und das im Reaktorraum 1 entstehende saure Biogas CO₂ + H₂S ist über ein differenzdruckgeregeltes Überströmventil 4 ableitbar.

Bei Reaktoren mit einem Inhalt von weniger als 300 m³ wird ein einziger Reaktorraum für den ersten Fermentationsprozeß verwendet, der zentral im Reaktorraum 2 für den zweiten Fermen­ tationsprozeß angeordnet ist, vgl. Fig. 1. Bei Reaktoren mit einem Inhalt von mehr als 300 m³ werden mehrere, beispielsweise drei einzelne Reaktorräume 32, 34, 36 für den ersten Fermenta­ tionsprozeß verwendet, die gleichmäßig verteilt im Reaktorraum 2 für den zweiten Fermentationsprozeß angeordnet sind, vgl. Fig. 2, wobei der Wirkungsbereich der einzelnen Reaktorräume so einge­ stellt wird, daß er bei 3 Reaktorräumen einen Aktionsradius auf­ weist, der etwa 25% des Gesamtdurchmessers des Reaktors 2 aus­ macht.

Der in der Zeichnung dargestellte Zweistufen-Reaktor ist in einem Raumverhältnis des ersten Reaktorraumes 1 für die Säurebildungs­ phase zum zweiten Reaktorraum 2 für die Methanbildungsphase von etwa 1 : 10 gebaut.

Der in der Zeichnung dargestellte Biogas-Reaktor arbeitet wie folgt. Der erste Reaktorraum 1 wird mit dem zu behandelnden Substrat über einen Absperrschieber 17 beschickt. Mit Hilfe der Strahlpumpe 7 wird das Substrat hydraulisch umgewälzt, wobei ein Verhältnis von Belebtschlamm zum eingespeisten frischen Sub­ strat von mindestens 3 : 1 eingestellt wird. Die Beschickung erfolgt dabei über eine externe Pumpe, die nicht dargestellt ist. Diese Pumpe ist mit dem Absperrschieber 17 sowie der Strahl­ pumpe 7 verbunden. Während der Beschickung, die quasi-kontinu­ ierlich erfolgt, wird mittels der Strahlpumpe 7, die an der Düsen­ mischkammer mit seitlichen Schlitzen versehen ist, Belebtschlamm angesaugt und mit dem eingespeisten Substrat gemischt. Dabei strömt während des Beschickungsvorganges Belebtschlamm von unten in den Wärmetauscher ständig nach. Nach der Beschickung des Reaktorraumes 1 wird durch den eingetretenen Temperaturabfall der Wärmetauscher 6 in Betrieb genommen, um die vorgesehene opti­ male Temperatur von ca. 30°C einzustellen und konstant zu halten. Durch die Einschaltung des Wärmetauschers findet, wie bereits erwähnt, eine weitere Umwälzung in Form einer thermischen Zirkulation des Substrates statt.

Während der Beschickung des Reaktorraumes 1 werden die im Kegelbodenbereich 19 angesammelten Stoffwechselprodukte über den Ringspalt 11 in die Injektionsmischkammer 45 gefördert und mit Belebtschlamm aus dem Reaktorraum 2 gemischt und mit Hilfe des Mischinjektors über die Zwischenringkammer 44 in den Reaktorraum 2 gefördert und durch gleichzeitige Kreisumwälzung entsprechend verteilt. Gleichzeitig erfolgt durch den Temperatur­ abfall im Reaktorraum 2, der mit einer optimalen Temperatur von ca. 35°C betrieben wird, die Einschaltung des Wärmetauschers 12. Auch im Reaktorraum 2 findet nach Abschaltung des Gasverdichters 5 bzw. des Mischinjektors 10 eine thermische Umwälzung über den Zwischenraum 44 durch die Wirkung des Wärmetauschers 12 statt. Eine Anordnung aus Gasverdichter 5, ringförmigen Zwischenraum 40 als Leitrohr, Mischinjektor 10 und ringförmige Zwischenkammer 44 als weiteres Leitrohr wird auch als Mammutpumpe bezeichnet.

Durch die hydraulische und thermische Umwälzung des Substrates im Reaktorraum 2 wird über den Ringspalt 11 eine Reduktion des Wasserstoff-Partialdruckes im Sedimentationsbereich des Reaktor­ raumes 1 vorgenommen. Das im Reaktorraum 2 erzeugte Biogas (CH₄ + CO₂) wird über das Absperrorgan 3 entnommen und den Ver­ brauchern zugeführt. Das im Reaktorraum 1 erzeugte saure Biogas (CO₂ + H₂S) kann über das Regelventil 4 abgelassen werden.

Nach entsprechenden biologischen Abbau der organischen Substanzen sammeln sich diese im trichterförmigen Boden 29 bzw. wird der Faul­ schlamm aus dem Reaktorraum 2 über den Austragsstutzen 13 oder 14 gemäß der in den Reaktorraum 1 eingespeisten frischen Substrat­ menge ausgetragen. Der ausgetragene Faulschlamm fließt durch das Doppel-U-Rohr 22, das gleichzeitig als Siphon für eine Druckgas­ speicherung dient, durch den Anschluß an den Biogasraum 42 mit Hilfe der Verbindungsleitung 30.

Zur Erzielung eines günstigen Reaktorwirkungsgrades bei möglichst geringem Materialverbrauch wird ein Verhältnis zwischen Höhe und Durchmesser des Reaktors von etwa 2 : 1 gewählt.

Weiter kann der Ringspalt 11 mit Hilfe der Vorrichtung 27 nachträglich in der Höhe eingestellt werden.

Um bei verschiedenen Reaktorbelastungen - unter Berücksichtigung der im Fermentationsraum 2 mit Druck gespeicherten Gasmenge - ein konstantes Faulraumvolumen zu erzielen, wird durch eine Differenzdruckregelung, welche zwischen Fermentationsraum 1 und Fermentationsraum 2 erfolgt, das im Fermentationsraum 1 produzierte überschüssige Biogas (CO₂ + H₂S) durch das Über­ strömventil 4 abgelassen.

Für Sonderfälle kann die Ablaßleitung des Überströmventiles 4 mit der Entnameleitung 3 zusammengeschaltet werden. In diesem Fall muß je nach Substratart das Gas über eine Gaswaschvor­ richtung bzw. Entschwefelungsanlage gereinigt werden.

Wie schon oben erwähnt, ist der untere Teil des doppelwandigen Zylinders 8 als Mischinjektor 10 ausgebildet. Über diesen Misch­ injektor wird Biogas unter Druck in den Reaktorraum 2 einge­ blasen, und zwar über in den Reaktorraum führende Löcher 60. Der Mischinjektor wird gebildet durch den unteren Teil der inneren Wandung des Zylinders 8, einen unter einem Winkel zu dieser inneren Wandung nach oben in den Reaktorraum 2 zeigen­ den umlaufenden Boden 62 und durch ein von der äußeren Wand des Zylinders 8 unter einem Winkel nach außen in den Reaktor­ raum zeigendes umlaufendes Teil 64, das mit dem Boden 62 verbun­ den ist. Die Löcher 60 sind in diesem Teil 64 nahe der Verbin­ dungsstelle mit dem Boden 62 ausgebildet. Der Winkel zwischen dem Boden 62 und der Innenwand des Zylinders 8 beträgt etwa 46° und der Winkel zwischen der Außenwandverlängerung des Zylinders 8 und dem Teil 64 etwa 18°. Durch diese Ausbildung wird ein im Quer­ schnitt etwa dreieckförmiger ringförmiger Ringraum im unteren Teil des doppelwandigen Zylinders 8 als Mischinjektor gebildet. Die Löcher 60 sind umfangsmäßig verteilt angeordnet. Es können meh­ rere Lochreihen mit zueinander versetzt angeordneten Löchern vorgesehen werden. In der Zeichnung (Fig. 4) sind zwei Lochreihen schematisch angedeutet. Die Löcher weisen vorzugs­ weise einen Durchmesser von etwa 4 mm auf. Vom unteren spitz­ winklig zulaufenden Ende 66 des Mischinjektors sind mehrere Entwässerungsrohre 68 nach oben geführt, die im Boden 62 mün­ den und etwa in Höhe der Löcher 60 enden, vorzugsweise mit geringem Abstand zu den Löchern.

Claims (22)

1. Biogasreaktor zur anaeroben Behandlung von organischen Substraten zur Erzeugung von Biogas mit einem ersten Reaktorraum für die Überfüh­ rung eines organischen Substrats in Stoffwechselprodukte, in erster Linie in Essig-, Butter- oder Capronsäure sowie Wasser­ stoff und Kohlendioxid, ferner mit einem zweiten, den ersten Reaktorraum umgebenden Reaktorraum zur Umwandlung der im ersten Reaktorraum entstandenen Stoffwechselprodukte in Biogas (Methan und Kohlendioxid), wobei im ersten und/oder zweiten Reaktorraum Einrichtungen zur Umwälzung der in den Reaktorräumen befindli­ chen Substanzen und Heizeinrichtungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) und der zweite Reaktorraum (2) über einen Ringspalt (11) im Bodenbereich der Reaktorräume miteinander in Verbindung stehen, daß
die oberen, die Gasräume bildenden Teile der beiden Reaktorräume von­ einander getrennt sind, daß
der erste zentrale Reaktorraum (1) mit einer doppelwandigen be­ abstandet zum Boden des Reaktorraumes endenden Zylinderwand (8) ausgebildet ist, deren unteres Ende als Mischinjektor (10) aus­ gebildet ist und über deren Zwischenraum (40) ein Teil des er­ zeugten Biogases unter Druck von oben dem Mischinjektor zuführ­ bar ist für die Durchmischung der im Reaktorraum (1) erzeugten Stoffwechselprodukte mit Belebtschlamm des zweiten Reaktorrau­ mes (2) und zur Förderung der Mischung in den zweiten Reaktor­ raum, und daß
die Förderung der Mischung in den zweiten Reaktorraum über eine als Überlaufkammer ausgebildete ringförmige zylindrische Kammer (44) erfolgt, die von der Zylinderwand (8) und einer diese be­ abstandet umgebenden, im zweiten Reaktorraum (2) angeordneten zylindrischen Wand (9) gebildet wird, die unterhalb des Mischinjektors (10) mit Abstand zum Boden des Reaktorraumes (2) und oberhalb desselben endet.

2. Biogasreaktor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) einen hochgezogenen Boden mit kegelförmiger Bodenfläche (19) aufweist, daß der Ringspalt (11) zwischen dem unteren Ende der Zylinderwand (8) und dem kegelförmigen Boden (19) gebildet ist, wobei die im er­ sten Reaktorraum (1) erzeugten Produkte über den Ringspalt (11) in eine unterhalb des Ringspaltes ausgebildete Injektionsmisch­ kammer (45) gelangen, die begrenzt wird vom kegelförmigen Boden (19), dem unteren Teil der zylindrischen Wand (9) und dem Mischinjektor (10).

3. Biogasreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur kreisförmigen Substratumwälzung im ersten Reaktorraum (1) eine Strahlpumpe (7) angeordnet ist, die eine seitlich offene Düsenmischkammer aufweist.

4. Biogasreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperatureinstellung ein senkrecht angeordneter, rohrför­ miger Wärmeaustauscher (6) im ersten Reaktorraum (1) angeordnet ist.

5. Biogasreaktor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strahlpumpe (7) innerhalb des Wärmeaustauschers (6) angeordnet ist.

6. Biogasreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil der zylindrischen Wand (9) durch einen Wärme­ tauscher (12) gebildet wird.

7. Biogasreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biogas mit Hilfe des Gasverdichters (5) zugeführt wird, dessen Druckstutzen an den Zwischenraum (40) und dessen Saug­ stutzen an den Biogasraum (42) des Reaktorraumes (2) ange­ schlossen ist.

8. Biogasreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (11) durch eine Vorrichtung (27), die mit dem Reaktorraum (1 und 2) verbunden ist, in der Höhe einstellbar ist.

9. Biogasreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Mischinjektor (10) durch das untere Teil der zy­ lindrischen Innenwand des doppelwandigen Zylinders (8), durch einen unter einem spitzen Winkel vom Ende der zylindrischen In­ nenwand nach oben in den Reaktorraum (2) zeigenden umlaufenden Boden (62) und ein unter einem spitzen Winkel von der zylindri­ schen Außenwand des Zylinders (8) nach unten in den Reaktorraum (2) zeigendes umlaufendes Teil (64) gebildet wird, das mit dem Boden (62) verbunden ist und in dem umlaufend mehrere Löcher (60) ausgebildet sind.

10. Biogasreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (60) kurz oberhalb der Verbindungsstelle des Teiles (64) mit dem Boden (62) angeordnet sind.

11. Biogasreaktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere beabstandete Lochreihen mit versetzt zu­ einander angeordneten Löchern vorgesehen sind.

12. Biogasreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im spitzwinklig zulaufenden Ende (66) des Mischinjektors (10) mehrere Entwässerungsrohre (68) angeordnet sind, die im Boden (62) nach oben geführt sind und in der Höhe der Löcher (60) en­ den.

13. Biogasreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) aus mehreren ein­ zelnen zylindrischen Reaktorräumen besteht, die innerhalb des zweiten Reaktorraumes (2) angeordnet sind.

14. Biogasreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleiche, einzelne zylindrische Reaktorteilräume (32, 34, 36) vorgesehen sind.

15. Biogasreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen zylindrischen Reaktorteilräume so aufgeteilt sind, daß der Wirkungsbereich jedes Reaktorteilraumes einen Ra­ dius aufweist, der etwa 25% des Durchmessers des zweiten Reak­ torraumes (2) ausmacht.

16. Biogasreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens des ersten Re­ aktorraumes (1) zum Volumen des zweiten Reaktorraumes (2) 1 : 2 bis 1 : 20, jedoch vorzugsweise 1 : 10 beträgt.

17. Biogasreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Höhe : Durchmesser des Bio­ gasreaktors etwa 2 : 1 beträgt.

18. Biogasreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Boden des zweiten Reaktor­ raumes (2) nach unten trichterförmig verjüngt ausgebildet ist.

19. Biogasreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) mit seiner Zylin­ derwand (8) und der zylindrischen Wand (9) als nach oben herausziehbarer Einsatz ausgebildet ist.

20. Biogasreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen dem Boden (62) und der zylindrischen Innen­ wand des Zylinders (8) etwa 46° und der Winkel zwischen der Verlängerung der zylindrischen Außenwand des Zylinders (8) und dem Teil (64) etwa 18° beträgt.

21. Biogasreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher U-förmige Vorlauf- und Rücklaufrohre (24) aufweist, die als Stützkonstruktion, Verteilerrohre und Entlüf­ tungsrohre dienen und zwischen denen eine Rohrwendel (23) ange­ ordnet ist.

22. Biogasreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überströmventil (4) an den Gasraum des ersten Reaktorraumes (1) angeschlossen ist zur Einregelung ewa gleicher Gasdrucke in den getrennten Gasräumen.