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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Methan-Fermentationsreaktor
oder insbesondere auf einen Methan-Fermentationsreaktor vom Zweiphasentyp
zur Erzeugung von Methangas als nützlichem Gasbrennstoff, in
dem ein organisches Abfallmaterial, z.B. Viehexkremente, darin einer
Fermentationsbehandlung unterzogen werden.
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Stand der Technik
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Es
ist ein eingeführtes
industrielles Verfahren, einen Gasbrennstoff auf Methangasis durch
Methanfermentation einer Vielzahl organischer Abfallmaterialien,
einschließlich
Viehexkrementen, zu produzieren. Es wurden verschiedene Typen an
Methan-Fermentationsreaktoren für
die Fermentationsbehandlung von Viehexkrementen entwickelt und tatsächlich verwendet;
diese umfassen Reaktoren vom Gasbehältertyp, die einen eingebauten
Gasbehälter
mit einem auf und ab bewegbaren Dach haben, um das Fassungsvermögen des Gasbehälters in
Abhängigkeit
vom Volumenanteil des Methangases zu verändern; Reaktoren vom fixierten Gasbehältertyp,
bei denen der Gasbehälter
an den oberen Teil des Fermentationstanks fixiert ist, und Reaktoren
vom Zweiphasentyp, die einen Abwasserdigestionstank, der herkömmlicherweise
für eine
anaerobe Behandlung in Abwasserbeseitigungsanlagen verwendet wird,
einen Säure-Fermentationstank
und einen Methan-Fermentationstank haben.
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EP-A-0
335 825 offenbart einen Bioreaktor zur Zweiphasenmethanfermentation,
der einen Tank umfasst, der zwei Abteile (ein erstes Abteil zur
Säurehydrolyse
und ein zweites Abteil zur Methanfermentation) hat, die durch eine
Trennwand getrennt sind. Beide Abteile stehen durch einen Kanal,
der permanent offen ist, in Flüssigkeitsverbindung.
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FR-A-2
510 605 offenbart einen Bioreaktor zur Produktion von Methan aus
organischem Abfall durch anaerobe Fermentation, wobei dieser zwei
Abteile umfasst, die durch eine Trennwand getrennt sind. Obgleich beide
Abteile permanent in Flüssigkeitsverbindung
miteinander sind, wird der Rückfluss
von Flüssigkeiten durch
eine Reihe von Ketten, die im Kanal angeordnet sind, welche beide
Abteile verbindet, verhindert.
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FR-A-2
305 113 offenbart einen Bioreaktor für eine anaerobe Fermentation,
der zwei Abteile umfasst, welche durch eine Trennwand getrennt sind.
Obgleich beide Abteile permanent in Flüssigkeitsverbindung miteinander
stehen, wird der Rückfluss
von Flüssigkeiten
durch eine besondere Form der Trennwand verhindert.
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DE-A-197
15 646 offenbart einen Bioreaktor zur Produktion von Methan aus
organischem Abfall durch anaerobe Fermentation, wobei der Fermentationstank
nicht geteilt ist.
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Diese
Fermentationsreaktoren des Standes der Technik haben ihre jeweiligen
Probleme und Nachteile. Bei den Methan-Fermentationsreaktoren, die
einen eingebauten Gasbehälter
haben, ist es manchmal der Fall, dass ein Rückfluss der Flüssigkeit,
d.h. der Digestionsflüssigkeit,
die darin enthalten ist, aus dem Methan-Fermentationstank in den Säure-Fermentationstank
oder in den Rohabfallaufnahmetank oder aus dem Absetztank in den
Methan- Fermentationstank
erfolgt, und zwar als Resultat der Veränderung beim Innendruck des
Gasbehälters.
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Da
die Methanfermentation durch das Wachstum eines absolut anaeroben
Mikroorganismus ablaufen kann, der ein Oxidations-Reduktions-Potential
von 150 mV bis 400 mV benötigt,
führt der
Rückfluss
der Flüssigkeit
aus dem Methan-Fermentationstank zum Säure-Fermentationstank natürlicherweise
zu einer Abnahme der Methanogenkonzentration im Methan-Fermentationstank,
was zu einer Abnahme in der Effizienz der Methanfermentation führt. Der
Rückfluss
der Flüssigkeit
aus dem Absetztank zum Methan-Fermentationstank bedeutet Einströmen von
gelöstem
Sauerstoff, der in der Flüssigkeit
im Absetztank enthalten ist, in den Methan-Fermentationstank, was
zu einer partiellen Abnahme der Aktivität oder Auflösung der methanogenen Mikroorganismus
führt.
Somit verursacht der Rückfluss
von Flüssigkeit
zwischen den Komponententanks eine starke Abnahme bei der Methan-Fermentationskapazität des Reaktors
und eine Instabilisierung des Verfahrens, um nichts zu sagen zu
dem Problem, dass der Reaktor nicht kompakt genug sein kann, da
das Volumen der Fermentationstanks groß genug sein muss, um dem Rückfluss
der Flüssigkeit
zu genügen.
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Die
oben beschriebenen Nachteile stellen eine Hemmung für die Verwendung
der Methan-Fermentationsreaktoren, die einen eingebauten Gasbehälter haben,
dar, so dass die Reaktoren dieses Typs trotz der vorteilhafterweise
niedrigen Kosten keine spürbare
Verbreitung gefunden haben.
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Offenbarung
der Erfindung
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Dementsprechend
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
eines Methan-Fermentationsreaktors mit hoher Wirksamkeit, der fähig ist, über einen
langen Zeitraum betrieben zu werden, wobei hohe Kapazität mit Stabilität beibehalten
wird, in dem die oben beschriebenen Probleme und Nachteile bei den
herkömmlichen
Methan-Fermentationsreaktoren des Typs mit eingebautem Gasbehälter überwunden
werden.
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Der
Erfinder hat ausgedehnte Untersuchungen mit dem Ziel, einen Methan-Fermentationsreaktor
vom Zweiphasentyp mit hoher Effizienz zu entwickeln, durchgeführt und
die unerwartete Entdeckung gemacht, dass wenn Absperrventile zwischen
dem Säure-Fermentationstank
und dem Methan-Fermentationstank und zwischen dem Methan-Fermentationstank
und dem Absetztank bereitgestellt werden, wobei die Absperrventile eine
Einwegströmung
der Flüssigkeit
aus dem Säure-Fermentationstank
in den Methanfermentationstank und aus dem Methan-Fermentationstank
in den Absetztank erlauben, und wenn die Absperrventile durch Ausnützen der
Auf- und Abbewegung des Flüssigkeitslevels
und der Druckänderungen
in dem Gasbehälter
derart kontrolliert werden, dass die Beschickungsflüssigkeit
fließt
und sukzessive durch den Säure-Fermentationstank,
Methan-Fermentationstank und Absetztank entnommen wird, ein Rückfluss
der Flüssigkeit
zwischen den entsprechenden Tanks in wirksamer Weise verhindert
werden kann, was zur Vollendung der vorliegenden Erfindung auf der
Basis dieser Entdeckung führte.
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Somit
ist der Reaktor zur Zweiphasenmethanfermentation, der durch die
vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, ein integrales System,
das umfasst:
- (a) einen Säure-Fermentationstank, der
eine Beschickungsflüssigkeit
für eine
Fermentationsbehandlung aufnimmt;
- (b) einen Methan-Fermentationstank vom Gasbehältertyp,
der neben dem Säure-Fermentationstank
angeordnet ist, dessen oberer Raum als Methangasbehälter dient;
- (c) eine erste senkrechte Trennwand, die den Säure-Fermentationstank
und den Methan-Fermentationstank trennt;
- (d) einen Absetztank, der neben dem Methan-Fermentationstank
angeordnet ist und aus dem die Digestionsflüssigkeit ausgetragen wird;
- (e) eine zweite senkrechte Trennwand, die den Methan-Fermentationstank
und den Absetztank trennt;
- (f) ein erstes Absperrventil, das an der ersten Trennwand zum
Regulieren des Flüssigkeitsstroms
zwischen dem Säure-Fermentationstank
und dem Methan-Fermentationstank angebracht ist;
- (g) ein zweites Absperrventil, das an der zweiten Trennwand
zum Regulieren des Flüssigkeitsstroms
zwischen dem Methan-Fermentaionstank und dem Absetztank angebracht
ist; und
- (h) eine Methangas-Auslassrohrleitung, die ein Hahnventil hat
und mit dem Methangasbehälter
verbunden ist.
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Es
ist fakultativ, aber vorteilhaft, dass der oben definierte Reaktor
der Erfindung als halb-unterirdische Installation oder vollständige unterirdische
Installation konstruiert ist, so dass bezüglich der Wärmeisolierung der Fermentationstanks
eine Verbesserung erzielt werden kann. Wenn es für eine weitere Verbesserung
der Effizienz notwendig ist, wird die Temperatur der Beschickungsflüssigkeit,
die in den Säure-Fermentationstank eingeführt wird,
moderat auf 20 bis 30°C
erhöht,
und zwar indem z.B. Luft zu dem Beschickungsflüssigkeitsaufnahmetank geführt wird,
so dass eine aerobe Zersetzung des Abfallmaterials unter Erzeugung
von Wärme verursacht
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen Reaktors als typisches Beispiel.
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2 ist eine schematische
Erläuterung
des Mechanismus zur Funktion der Sperrventile unter Ausnutzung des
Auftriebs von Schwimmern.
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3 ist eine schematische
Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen Reaktors, der mit zwei Säure-Fermentationstanks
und zwei Methan-Fermentationstanks ausgestattet ist.
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4 ist ein Blockdiagramm
eines Entsorgungssystems für
Schweineexkremente mit dem erfindungsgemäßen Methan-Fermentationsreaktor, der eingebaut
ist.
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Bester Weg zur
Ausführung
der Erfindung
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Im
Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung des erfindungsgemäßen Reaktors
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen gegeben.
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1 ist eine schematische
Querschnittsdarstellung eines typischen Beispiels für den erfindungsgemäßen Reaktor
als integrales System, das grundsätzlich drei Abteile umfasst,
die einen Säure-Fermentationstank 1,
einen Methan-Fermentationstank 2 und einen Absetztank 3 umfassen,
die mit einer ersten senkrechten Trennwand 4 zwischen dem
Säure-Fermentationstank 1 und
dem Methan-Fermentationstank 2 und durch eine zweite senkrechte
Trennwand 5 zwischen dem Methan-Fermentationstank 2 und
dem Absetztank 3 aufgeteilt sind. Die Beschickungsflüssigkeit
wird durch das Beschickungsflüs sigkeitseinlassrohr 7,
das mit einem Beschickungsflüssigkeitsaufnahmetank
(in der Figur nicht gezeigt) verbunden ist, in den Säure-Fermentationstank eingeführt. Der
obere Raum 6 des Methan-Fermentationstanks 2 über der
darin stehenden Flüssigkeit
dient als Methangasbehälter.
Die Digestionsflüssigkeit,
die im Absetztank 3 gebildet wird, wird durch das Flüssigkeitsauslassrohr 8,
das mit einem Digestionsflüssigkeitsaufnahmetank 9 verbunden
ist, abgeleitet. Ein Methangasauslassrohr 10, das ein Sperrhahnventil 10A hat,
ist mit dem Oberteil des Dachs 2A des Methan-Fermentationstanks 2 verbunden
und kommuniziert mit dem Methangasbehälter 6.
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In
dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Reaktor ist es wichtig,
dass das Volumenverhältnis des
Säure-Fermentationstanks 1 und
des Methan-Fermentationstanks 2 im Bereich von 1:5 bis
1:10 liegt, um die Ausbeute an flüchtigen organischen Säuren zu
verbessern. Wenn der Gehalt an unlöslichen festen Materialien
in der Beschickung zum Säure-Fermentationstank 1 hoch
ist, wie bei Viehexkrementen, wird dieses Verhältnis auf 1:5 oder in die Nähe von 1:5
eingestellt, und wenn die Beschickung zum Säure-Fermentationstank 2 eine
wesentliche Menge an gelöstem
Material in Kombination mit unlöslichem
festen Material enthält,
wie dies bei Haushaltsabwasserableitungen der Fall ist, wird dieses
Verhältnis
auf 1:8 oder in die Nähe
von 1:8 eingestellt, um einen glatten und effizienten Ablauf der
Methanfermentation sicherzustellen. Wenn die Beschickung eine große Menge
an löslichen
festen Materialien enthält,
wie es bei Abwassern aus Lebensmittelverarbeitungsanlagen der Fall
ist, wird dieses Verhältnis
vorzugsweise auf 1:10 oder in die Nähe dieses Wertes eingestellt.
Andererseits ist der Absetztank 3 so konzipiert, dass sichergestellt
ist, dass die Aufstiegsgeschwindigkeit der suspendierten festen
Partikel (SS) die Absetzgeschwindigkeit von Partikeln mit einem
Durchmesser von 10 bis 20 μm
in einer stationären
Flüssigkeit,
errechnet nach dem Stok'schen
Gesetz, nicht übersteigt.
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Die
Trennwand 4, die den Säure-Fermentationstank 1 und
den Methan-Fermentationstank 2 trennt, ist mit einem ersten
Sperrventil 4A in ihrem unteren Teil versehen, so dass
dieses als Kontrollmittel für
den glatten Fluss der Flüssigkeit
aus dem Säure-Fermentationstank 1 zum
Methan-Fermentationstank 2 dient, während die Trennwand 5,
die den Methan-Fermentationstank 2 und den Absetztank 3 trennt,
mit einem zweiten Absperrventil 5A in ihrem unteren Teil
versehen ist, um als Kontrollmittel bzw. Reguliermittel für den glatten
Strom der Flüssigkeit
aus dem Methan-Fermentationstank 2 in den Absetztank 3 zu
dienen. Beispielsweise ist jedes der Absperrventile 4A und 5A so
konzipiert, dass es ein Gewicht hat, bei dem die Druckdifferenz
zwischen dem Druck infolge des Wasserlevels im Säure-Fermentationstank 1 und
dem Druck infolge des Wasserlevels im Methan-Fermentationstank 2 plus
dem Gasdruck im Gasbehälter 6 berücksichtigt
wird und bei dem die Druckdifferenz zwischen dem Druck infolge des
Wasserlevels im Methan-Fermentationstank 2 plus dem Gasdruck im
Gasbehälter 6 und
dem Druck infolge des Wasserlevels im Absetztank 3 berücksichtigt
wird. Jedes der Absperrventile 4A, 5A hat typischerweise
die Struktur einer Klappe, die im oberen Teil zur Trennwand 4, 5 schwenkbar
ist und am unteren Teil durch eine Schnur 4C, 5C mit
dem Schwimmer 4,B, 5B verbunden ist, der im Methan-Fermentationstank 2 bzw.
im Absetztank 3 auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmt
(siehe 2).
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Diesbezüglich ist
es wichtig, dass der Methan-Fermentationstank 2 so konstruiert
ist, dass die notwendige Kapazität
desselben für
einen relativ niedrigen Wasserspiegel darin erreicht wird. Andererseits
ist die Höhe
des Wasserlevels im Säure-Fermentationstank 1 so
konzipiert und wird so reguliert, dass der Flüssigkeitsstrom vom Säure-Fermentationstank 1 zum
Methan-Fermentationstank 2 durch das geöffnete Absperrventil 4A erfolgt
und vom Methan- Fermentationstank 2 zum
Absetztank 3 durch das geöffnete Absperrventil 5A und
ferner zum Digestionsflüssigkeitsaufnahmetank 9 durch Überlaufen
erfolgt. Die Höhe
des Wasserspiegels im Methan-Fermentationstank 2 ist
begrenzt, da der Innendruck im Gasbehälter 6 bei 200 mmH2O oder höher
gehalten werden muss.
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Die
Methanfermentation läuft
im Methan-Fermentationstank 2 während des Zeitraums ab, wenn
das Methangas im Gasbehälter 6 verbraucht
wird, wobei eine Aufwärtsbewegung
der Wasseroberfläche
im Methan-Fermentationstank 2 als Resultat einer Einleitung
der Flüssigkeit
im Säure-Fermentationstank 1 in
den Methan-Fermentationstank 2 verursacht wird, vorausgesetzt,
dass der Druck infolge des Wasserlevels im Säure-Fermentationstank 1 die
Summe aus dem Druck infolge des Wasserlevels im Methan-Fermentationstank 2 plus
dem Innendruck im Gasbehälter 6 übersteigt.
Die Methanfermentation, die im Methan-Fermentationstank 2 abläuft, wird
unter Erhöhung
des Innendrucks des Gasbehälters 6 zur
Kompensation des Verbrauchs des Methangases.
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Wenn
demnach der Innendruck im Gasbehälter 6 durch
die Methanfermentation im Methan-Fermentationstank zu einem solchen
Grad erhöht
wird, dass die Summe aus dem Druck infolge des Wasserlevels im Fermentationstank 2 plus
dem Innendruck im Gasbehälter 6 die
Summe aus dem Druck infolge des Wasserlevels im Absetztank 3 plus
dem um das Körpergewicht
reduzierten Druck durch das Absperrventil 5A übersteigt,
wird das Absperrventil 5A geöffnet, damit eine Flüssigkeit
aus dem Methan-Fermentationstank 2 in den Absetztank 3 fließen kann,
aus dem die Flüssigkeit
in den Digestionsflüssigkeitsaufnahmetank 9 durch Überlaufen
eingeführt
wird, wenn der Wasserlevel im Absetztank 3 die Höhe der Überlaufleitung 8 erreicht.
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Da
die durchschnittliche Retentionszeit der Flüssigkeit im Methan-Fermentationstank 2 am
kürzesten ist,
wenn der Wasserlevel darin an der Untergrenze ist, sollte dieser
Zeitfaktor als Basis für
die Berechnung des organischen Materials, das in den Methan-Fermentationstank 2 geladen
wird, genommen werden.
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Es
ist bekannt, dass der tägliche
Entnahmeplan für
Abfallflüssigkeiten,
z.B. Haushaltsabwässer
und Viehexkremente üblicherweise
ein bis vier Peaks am Tag hat. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise
zur Durchführung
eines halbkontinuierlichen Methan-Fermentationsprozesses zwischen
den Entnahmepeaks betrieben werden. Es kann nämlich ein Stopfenfließzustand
in sehr effizienter Weise entwickelt werden, um ein Zweiphasen-Methan-Fermentationssystem
ohne jeglichen Rückfluss
sicherzustellen, wenn der Betriebsmodus der Vorrichtung so programmiert
wird, dass der Innendruck des Gasbehälters 6 während des
Zwischenraums zwischen den zwei Peaks des Abwasserauftretens im
Abnehmen ist. Die notwendige Kapazität des Säure-Fermentationstanks 1 kann
aus dem Gesamtwert der Untergrenze des Wasserlevels im Methan-Fermentationstank 2,
der Obergrenze des Wasserlevels im Säure-Fermentationstank 1 und
der Wasserkopfdifferenz infolge des um das Körpergewicht reduzierten Drucks
durch das Absperrventil 4A errechnet werden.
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2 ist eine schematische
Darstellung eines Mechanismus zum Öffnen und Schließen der
Absperrventile 4A, 5A in dem in 1 gezeigten Reaktor. So ist jedes der
Absperrventile 4A und 5A an den Schwimmer 4B oder 5B gebunden,
der auf der Flüssigkeitsoberfläche im Methan-Fermentationstank 2 oder
im Absetztank 2 schwimmt, und zwar mit Hilfe eines Zugdrahtes
oder -seils 4C oder 5C. Dieser Mechanismus arbeitet unter
Verhinderung des Rückstroms
aus dem Methan-Fermentationstank 2 zum Säure-Fermentationstank 1 und des
Rückflusses
aus dem Absetztank 3 zum Methan-Fermentationstank 2 und
unter Sicherstellung einer adäquaten
Einleitung der Säure-Fermentationsflüssigkeit
in den Methan-Fermentationstank 2 in Übereinstimmung mit dem Verbrauchsmodus
des Methangases aus dem Gasbehälter 6.
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Wenn
der Innendruck des Gasbehälters 6 so
weit erhöht
ist, dass der Wasserlevel im Methan-Fermentationstank 2 den
unteren Grenzwert der Einstellung erreicht, erfolgt ein Ausfließen der
Flüssigkeit
aus dem Absetztank 3. In diesem Fall kann die Methan-Fermentation
bezüglich
des Einfließens
der Abwasserflüssigkeitbeschickung
unter dem Einstellwert für
die Beladung mit organischem Material erfolgen, vorausgesetzt, dass
der Reaktor so konzipiert ist, dass der Wasserkopf infolge des Wasserlevels
im Säure-Fermentationstank 1,
selbst wenn auch sehr wenig, größer ist
als die Summe aus dem Wasserkopf, abgezogen vom Innendruck des Gasbehälters über dem
Methan-Fermentationstank 2, dem Wasserkopf infolge des
Methan-Fermentationstanks 2 per
se und dem um das Körpergewicht
reduzierten Wasserkopf durch das Absperrventil 4A. Die tatsächliche
Beladung mit organischem Material wird immer unter dem Einstellwert
für die
Belastung mit organischem Material gehalten, bis der Wasserlevel
im Methan-Fermentationstank 2 so ansteigt, dass er die
Obergrenze erreicht, so dass der Reaktor sicher und glatt betrieben
werden kann.
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Wie
in 3 schematisch dargestellt
ist, ist ein möglicher
Aufbau so, dass die Vorrichtung der Erfindung aus zwei Säurefermentationstanks 1, 1' zwei Methan-Fermentationstanks 2, 2' und einem einzelnen
Absetztank 3, der an beiden Seiten an die Methan-Fermentationstanks 2, 2' angefügt ist,
konstruiert ist, wobei die Aufteilung durch die Trennwände 5, 5' erfolgt, die
Absperrventile 5A, 5A' haben, während die Methan-Fermentationstanks 2, 2' jeweils an
die Säure- Fermentationstanks 1, 1' angefügt sind,
wobei die Aufteilung durch die Trennwände 4, 4' erfolgt, die
jeweils ein Absperrventil 4A, 4A' haben. Die Gasbehälter 6, 6' über den
jeweiligen Methan-Fermentationstanks 2, 2' sind mit den
Methangasauslassleitungen 10, 10' verbunden, die gemeinsam über ein
Hahnventil 10A entsprechend dem Bedarf zu einem Manometer
oder einem Druckregulierungsventil (in der Figur nicht gezeigt)
führen.
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Obgleich
dies optional ist, hält
jeder der Methan-Fermentationstanks 2, 2' einen "Träger" c, der z.B. eine
Masse oder ein Brett aus Steinwolle ist. Wenn der Innendruck in
den Gasbehältern 6, 6' einen spezifischen
Einstellwert erreicht und übersteigt,
wird das Ventil 10A manuell oder automatisch geöffnet, um
Methangas zu einem Wärme-Energie-Generator
(in der Figur nicht gezeigt) zu führen, um elektrische Energie
und Heißwasser
zur lokalen Versorgung zu produzieren. Wenn der Innendruck der Gasbehälter 6, 6' verringert
wird und die Untergrenze des Einstellwerts erreicht, wird der Motor
manuell oder automatisch gestoppt, so dass die Flüssigkeit
in den Säure-Fermentationstanks 1, 1' vorschriftsmäßig in die
Methan-Fermentationstanks 2, 2' geleitet wird, um durch Überfließen aus
dem Absetztank 3 ausgelassen zu werden.
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Es
ist auch möglich,
dass die überströmende Flüssigkeit
aus dem Absetztank 3 entnommen wird, indem die obere und
die untere Grenze des Wasserlevels im Absetztank 3 mit
Hilfe einer Entnahmepumpe, die im Absetztank 3 installiert
wird, eingestellt werden, um so einen glatten Transfer der Flüssigkeit
in den Säure-Fermentationstanks 1, 1' zu den Methan-Fermentationstanks 2, 2' zu erreichen.
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Es
ist nach Bedarf fakultativ, dass ein Temperaturkontrollmittel oder
insbesondere ein Heizmittel an mindestens einem der Tanks: dem Säure-Fermentationstank 1,
Methan-Fermentationstank 2 und Ab setztank 3 des
erfindungsgemäßen Reaktors,
zur Temperaturkontrolle der darin behandelten Flüssigkeit angeordnet ist. Beispielsweise
ist eine Leitung oder ein Kanal für ein Heizmedium, d.h. heißes Wasser
oder heiße
Luft, mit Wärmeisolierung
unter Verwendung eines Wärmeisolierungsmaterials,
wie Steinwolle, an der Außenfläche oder
am Boden der jeweiligen Tanks montiert. Abwärme, die durch Kompostfermentierung
erzeugt wird, kann zur Herstellung von heißer Luft zur Verwendung als
Heizmedium ausgenutzt werden. Die Verbrennungswärme des Methangases, das durch
Methan-Fermentation erzeugt wird, kann zur Herstellung von heißem Wasser
zur Verwendung als Heizmedium ausgenutzt werden.
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Wenn
dieser vollständige
Zweiphasen-Methan-Fermentationsreaktor des Stopfenfluss-Typs in
einer kalten Gegend verwendet werden soll, kann der Reaktor unterirdisch
in einer solchen Tiefe aufgebaut werden, dass die Höhe des Dachs
des Gasbehälters 6 in
derselben Höhe
wie die Gefriertiefe im Winter in dieser Gegend ist oder etwas tiefer
liegt. Es ist bekannt, dass, selbst wenn die Atmosphärentemperatur
in der Nacht im Winter auf –20
bis –30°C sinkt,
die Untergrundtemperatur in einer Tiefe von 1 m oder mehr selten
niedriger als 10°C
wird, so dass der erfindungsgemäße Reaktor
für die
Niedrigtemperatur-Methanfermentation bei einer Temperatur von 15
bis 20°C
betrieben werden kann. Es ist möglich,
dass, selbst ohne Verwendung von heißer Luft oder heißem Wasser
als Heizmedium, die Temperatur der Abfallflüssigkeit vor Einleitung in
den Säure-Fermentationstank
durch Belüftung
im Abfallbeschickungsgutaufnahmetank zu kontrollieren, so dass die
Temperatur darin auf 25 bis 27°C
steigt und so die Flüssigkeitstemperatur
im Methan-Fermentationstank 2 bei 20 bis 22°C gehalten
wird.
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Im
Folgenden wird der Reaktor der vorliegenden Erfindung detaillierter
anhand von Beispielen beschrieben.
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Beispiel 1
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Der
vollständige
Zweiphasen-Methan-Fermentationsreaktor vom Stopfenfließ-Typ, der
hier verwendet wurde, war eine Vorrichtung im Labormaßstab mit
einem Fassungsvermögen
von 23 l und der in 2 dargestellten
Struktur. Es wurde ein Testlauf des Reaktors mit Schweinexkrementen
als Beschickungsabfall mit einem Thermostaten, der auf eine konstante
Temperatur von 20°C
reguliert war, durchgeführt,
wobei die durchschnittliche Verweilzeit auf 20 Tage eingestellt
war und die Beladung mit organischem Material auf 3 kg-vs/m3/Tag
eingestellt war, um in glattem Durchgang 25 bis 26 l NTP Methangas
pro Tag zu erhalten.
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Als
die Einstellwerte auf die Hälfte
der durchschnittlichen Verweilzeit, auf 10 Tage, und die doppelte Beladung
mit organischem Material auf 6 kg-vs/m3/Tag
modifiziert wurden, war allerdings die tägliche Ausbeute an Methangas
12 bis 14 l pro Tag, d.h. etwa die halbe Ausbeute der des ersten
Laufs.
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Die
Konzentrationen an Essigsäure
und Propionsäure
in der Digestionsflüssigkeit
war 5.500 mg/l bzw. 2.357 mg/l in dem Lauf mit der durchschnittlichen
Verweilzeit von 20 Tagen und 2.500 mg/l bzw. 1.965 mg/l in dem Lauf
mit der durchschnittlichen Verweilzeit von 10 Tagen, was eine deutliche
Assimilation von Essigsäure und
Akkumulation von Propionsäure
zusammen mit einem unvollständigen
Abbau von organischen Säuren
bei hoher Beladung mit organischem Material zeigt.
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Es
wurde ein dritter Testlauf des Reaktors in zwei Stufen durchgeführt, wobei
Steinwollelagen in einem Volumen, das 20 % des Mindestflüssigkeitsvolumens
entspricht, im Methan-Fermentationstank 2 als Träger gehalten
wurden. Die erste Stufe wurde über
20 Tagen bei einer durchschnittlichen Verweilzeit von 20 Tagen und
einer Beladung mit organischem Material von 3 kg-vs/m3/Tag
durchgeführt,
während
die zweite Stufe für 30
Tage bei einer durchschnittlichen Verweilzeit von 10 Tagen und einer
Beladung mit organischem Material von 6 kg-vs/m3/Tag
durchgeführt
wurde und 23 bis 28 l Methangas pro Tag erhalten wurden.
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Beispiel 2
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Es
wurde ein Testlauf für
die Behandlung von Schweineexkrementen durchgeführt, indem ein Reaktor mit
einer Gesamtvolumenkapazität
von 50 l verwendet wurde, wie er in 3 dargestellt
ist, wobei die Betriebsbedingungen eine Flüssigkeitstemperatur von 20
bis 22°C,
eine durchschnittliche Verweilzeit von 10 Tagen und eine Beladung
mit organischem material von 3 kg-vs/m3/Tag
umfassten. Die tägliche
Ausbeute an Methangas war 50 bis 65 l/Tag.
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Beispiel 3
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Es
wurde ein Testlauf für
die Behandlung von Schweineexkrementen in einem System durchgeführt, das
durch das Blockdiagramm von 4 dargestellt
ist; die Beladung mit organischem Material war dabei 4 kg-vs/m3/Tag und die durchschnittliche Verweilzeit
war 10 Tage. Der Methan-Fermentationstank wurde mit einem zylindrischen
röhrenförmigen Träger aus
Steinwolle in einem Volumen, das 10 % des Tankvolumens entspricht,
beladen.
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Nachfolgend
wird ein Überblick über das
Verfahren des Testlaufs gegeben.
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Der
Schweineurin tropfte durch die Gitter, die im Boden des Schweinestalls 101 eingebaut
waren, und wurde darunter im Urinaufnahmebehälter 102 gesammelt.
Der Urin wurde mit einer Rate von 8 t/Tag von dort zum Beschickungstank 105 transferiert.
Andererseits wurden die festen Exkremente auf dem Karren 104 mit Hilfe
eines Abtrennschöpfers 103 aufgehäuft und
mit einer Rate von 1,5 t/Tag in den Beschickungstank 105 eingeführt. Auf
diese Weise nahm der Beschickungstank, der ein Fassungsvermögen von
21 t hatte, die flüssigen
und festen Exkremente mit einer täglichen Dosis von 9,5 t auf.
Der Beschickungstank 105 war mit einer Rührpumpe
(in der Figur nicht gezeigt) ausgestattet, mit der die Exkremente
gleichmäßig gerührt wurden.
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Die
so gemischten Exkremente wurden mittels einer Pumpe 105A zu
der Schneckenpresse 106 geführt, wo die Exkremente in Flüssigkeit
und Feststoffe getrennt wurden. Die Exkrementflüssigkeit wurde in den Belüftungstank 108 transferiert,
in dem die Flüssigkeit
einer Belüftungsbehandlung
unterzogen wurde, in dem ein Belüftungsblasgerät 109 betrieben
wurde, durch das Luft mit einer kontrollierten Rate in die Flüssigkeit
geblasen wurde, bis die Temperatur der Flüssigkeit 20 bis 25°C erreicht
hatte.
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Die
in der Schneckenpresse 106 abgetrennten Exkrementfeststoffe
wurden zu dem Kompostfermentationstank 107 gebracht, um
für 5 Tage
unter einem Luftstrom mittels der Gebläsevorrichtung 110 gehalten
zu werden, so dass die Temperatur der Feststoffe auf 60 bis 75°C erhöht wurde;
darauf folgte ein Transfer in ein Komposthaus 115, in dem
die kompostierten Kuchen einer Alterungsfermentationsbehandlung
für 2 bis
3 Monate ohne Luftstrom unterworfen wurden, so dass sie zu einem
gealterten Kompost wurden, der allgemein in Bauernhöfen als
organischer Dünger
einsetzbar ist.
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Die
im Belüftungstank 108 bei
einer Temperatur von 20 bis 25°C
gehaltene Exkrementflüssigkeit
wurde in ein Säure-Fermentationsabteil 111 und
danach durch ein Absperrventil 111A zu einem Methan-Fermentationstank 112,
der ein effektives Fassungsvermögen
von 130 t hat, gebracht, wo die Flüssigkeit einer anaeroben Fermentationsbehandlung
unterzogen wurde, die in Abhängigkeit
vom Volumen des Verdünnungswassers,
das periodisch in den Beschickungstank 105 eingeführt wurde,
etwa 10 bis 13 Tage beanspruchte. Der Raum über dem oberen Teil des Methan-Fermentationstanks 112 diente
als Gasbehälter
für das
sogenannte Biogas, das durch die anaerobe Fermentation der Exkrementflüssigkeit
erzeugt wurde. Das hier im Gasbehälter gesammelte Biogas enthielt
65 bis 70 Vol.-% Methan, 30 bis 35 Vol.-% Kohlendioxid und 0,2 bis
0,4 Vol.-% Schwefelwasserstoff.
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Die
Ausbeute an Methangas erreichte 80 bis 130 m3 pro
Tag und konnte als Gasbrennstoff, z.B. zur Raumheizung verwendet
werden. Die aus dem Methan-Fermentationstank durch das Absperrventil 112A ausgelassene
Flüssigkeit
kann als organischer Flüssigdünger auf
Ackerland verwendet werden, indem sie den Kontrolltank 113 und
den Absetztank 114 mittels der Pumpe 113A, die
im Kontrolltank 113 installiert ist, durchläuft.
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Die
Resultate, die in zwei Testläufen
erhalten wurden, welche im Februar und im März durchgeführt wurden, sind in der folgenden
Tabelle 1 angegeben.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Reaktor zur effizienten Methan-Fermentation durch
Ausnutzung verschiedener organischer Abfallmaterialien, z.B. Schweineexkremente
und Küchenabfälle, bereit.
Die Apparatur umfasst einen Säure-Fermentationstank,
einen Methan-Fermentationstank
und einen Absetztank, die in Reihe verbunden sind, wobei Störungen durch
Rückfluss
der in Behandlung stehenden Flüssigkeit
vollständig verhindert
werden können,
so dass der Fermentationsprozess in stabiler Weise über einen
langen Zeitraum fortgesetzt werden kann.