Speiserestevergärung in Biogasanlagen - Biogas

Speiserestevergärung in Biogasanlagen
- Kofermentation und Monofermentation Dr. Jürgen Beck,
Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim
Keywords: biogas, monofermentation, cofermentation, food waste, cogeneration, methane
Schlüsselwörter: Biogas, Monofermentation, Kofermentation Speisereste,
Kraft-Wärme-Kopplung, Methan
Kurzfassung
Am Institut für Agrartechnik in Hohenheim beschäftigt man sich bereits seit 1994 mit
der anaeroben Verwertung von Speiseresten in Ko- und Monovergärungsprozessen.
Die bei den systematischen Untersuchungen gemachten Erfahrungen in den Laboranlagen des Instituts für Agrartechnik mit der Kofermentation von Speiseresten mit
Rindergülle und mit Hühnerflüssigmist sowie mit der Monofermentation von Speiseresten werden dargestellt. Dazuhin wurde in einem Gemeinschaftsprojekt ein Verfahren zur anaeroben Monofermentation von strukturarmen und energiereichen Nahrungsmittelabfällen entwickelt und in einer Pilotanlage in Donaueschingen mit einer
Verarbeitungskapazität von 8000 Jahrestonnen verwirklicht. Diese wurde anschließend hinsichtlich verfahrenstechnischer und hygienischer Kriterien untersucht.
Abstract
At the Institute of Agricultural Engineering in Hohenheim food and nutritional waste
materials are since 1994 in the focus of interest for the anaerobic utilisation. The experiences from the systematic investigations in the lab fermenters of the Institute of
Agricultural Engineering are presented for the cofermentation of food waste with cattle slurry and chicken slurry as well as for the monofermentation of food waste. Finally in a joint project a process engineering technique was developed for the anaerobic monofermentation of nutritional wastes with high energy concentrations and
low contents of structural materials. In the first section of the project systematic investigations about monofermentation of nutritional wastes have been led through in the
biogas - laboratory at the Institute of Agricultural Engineering, University of Hohenheim. Subsequently hygienic and engineering investigations have been led through
at the pilot biogas plant. It was erected by Biogas Systemtechnik - Deutschland
GmbH and planned by Enersys GmbH, Donaueschingen.
1 Einleitung und Zielsetzung
In der Bundesrepublik Deutschland fallen jährlich ca. 25 Mio. Tonnen Bioabfall, darunter über 2 Mio. Tonnen Speisereste, mit immer noch steigender Tendenz an. Die
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organischen Abfälle aus Haushalten, Großküchen und der Nahrungsmittelindustrie
beinhalten ein großes Energie- und Nährstoffpotential, das bisher meist über den
Schweinemagen verwertet worden ist. Des Weiteren tritt in Deutschland ab 2006
§24a der Verordnung zum Schutz gegen die Verschleppung von Tierseuchen im
Viehverkehr (ViehverkehrsVO, 11. April 2001) in Kraft, der ein generelles Verfütterungsverbot von Speiseabfällen an Klauentiere (z.B. Schweine) vorschreibt. Hiermit
wird das EU-Verfütterungsverbot für Speisereste in nationales Recht umgesetzt.
Damit entstand ein dringend zu lösendes Abfallproblem, da laut EG-Abfallrichtlinie
75/442/EWG generell die Rückführung und Wiederverwendung von Abfällen als
Rohstoffe anzustreben ist. Demzufolge werden organische Reststoffe als „Abfall zur
Verwertung“ klassifiziert und dürfen somit nicht mehr über den Restmüll entsorgt,
sondern müssen einer Wiederverwertung zugeführt werden. Ihre direkte energetische Verwertung (Verbrennung) bzw. Kompostierung ist jedoch wegen des hohen
Feuchteanteils, dem geringen Strukturgehalt und der somit ungünstigen Energiebilanz sowie aufgrund von Geruchsproblemen beim Kompostieren nicht rentabel. In
der Technischen Anleitung Siedlungsabfall (TASI 1993) zum Kreislaufwirtschaftsund Abfallgesetz (KrW- /AbfG) wird die energetische Verwertung von organischem
Material durch anaerobe Behandlung begünstigt: „Durch die anaerobe Behandlung
biologisch abbaubarer organischer Abfälle ist ein möglichst schneller und weitgehender Abbau von Kohlenstoffverbindungen und deren Umwandlung in nutzbares Gas
anzustreben“. Da der Einsatz von Flüssigmist für industrielle Vergärungsanlagen aus
mehreren Gründen (Geruch, Verfügbarkeit, Entsorgung des Restsubstrates) nicht in
Frage kommt, werden nachfolgend schwerpunktmäßig Fragen der Monofermentation
von Speiseresten behandelt. Die bei den systematischen Laborversuchen zur Kofermentation von Rinder- bzw. Hühnerflüssigmist mit Speiseresten gewonnenen Erkenntnisse konnten bei der Planung und Durchführung der Versuche zur Monofermentation von Speiseabfällen im Labor und bei der Planung und dem Bau der Pilotbiogasanlage mit einfließen. Damit sollte im großtechnischen Maßstab mit einem projektierten Durchsatz von 8000 Tonnen pro Jahr die Praxistauglichkeit des Verfahrens
der alleinigen Vergärung von Speiseresten nachgewiesen werden. Dazu wurden über einen Zeitraum von 192 Tagen regelmäßig verfahrenstechnische Kennwerte an
den Anlagenkomponenten erfasst, um Funktionalität, Effizienz und Wirkungsgrad der
eingesetzten Verfahrenstechnik beurteilen zu können. Ziel der gesamten wissenschaftlichen Untersuchungen war die Überprüfung verschiedener Strategien und
Techniken zur Optimierung und Standardisierung des Verfahrens zur Speiserestverwertung in Biogasanlagen.
2 Vorarbeiten
Um eine wissenschaftlich fundierte Basis zur Einschätzung der Wirkung der Substratgruppe Speisereste in Biogasanlagen unter verschiedenen Betriebsbedingungen
zu schaffen, wurden am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim seit 1994
im Rahmen von Diplom- und Masterarbeiten sowie Dissertationen umfangreiche Labor- und Praxisuntersuchungen durchgeführt. Im Einzelnen waren dies:
¦ Laboruntersuchungen zur gemeinsamen Vergärung von Rindergülle und Speiseabfall zur Biogasgewinnung (Kraschinski 1995) mit dem Ziel, funktionsfähige Mi-
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schungsverhältnisse (75%: 25% und 50%: 50% Rindergülle zu Speisereste) sowie den optimalen Temperaturbereich herauszufinden.
¦ Laboruntersuchungen zur anaeroben Verwertung von Speiseresten im Gemisch
mit Hühnerkot (Schüle 2001), bei denen unterschiedliche Anteile an Speiseresten
in der Mischung sowie der Einfluss des mesophilen und thermophilen Betriebs bei
der Kofermentation ermittelt wurden.
¦ Laboruntersuchungen zur Methangewinnung aus Nahrungsmittelabfällen und Betarüben durch Kofermentation (Abdel-Hadi 2003) hatten zum Ziel, Rückstände
aus der Fruchtverarbeitung und Speisereste in Kombination mit Rindergülle als
Basissubstrat jeweils auf mesophilem (34°C) und thermophilem (48 bzw. 53°C)
Temperaturniveau zu vergären.
Die Ergebnisse sind stark zusammengefasst in Tabelle 1 dargestellt. Es geht daraus
klar hervor, dass die thermophil betriebene Fermentation effektiver abläuft und im
Vergleich zum mesophilen Betrieb die höheren Methanerträge erzielt.
Tabelle 1: Ausgewählte Kennzahlen der Hohenheimer Untersuchungen zur Kofermentation von Speiseresten
Substrat
TS [%]
Anteil Speisereste
Speisereste + Rin-
m
dergülle (50/70%)
t
Speisereste + Hüh-
m
nerkot (30/50%)
t
Speisereste + Rin-
m
dergülle (25/50%)
t
oTS
Methanertrag
Methangehalt
[%]
[l CH4/kg oTS]
Biogas [%]
210-330
55,6-56,3
Abdel-Hadi
380-460
59,7-60,1
(2003)
298-455
54,0-58,0
350-500
48,2-60,3
17,5-
190-320
48,5-59,6
Kraschinski
19,0
205-370
51,3-60,0
(1995)
17,6
16,2
17,7
16,2
20,6
Quelle
Schüle (2001)
3 Material und Methoden
Zur Beurteilung der Monofermentation von Speiseresten wurden in einem ersten Teil
die Grundlagen im Labor untersucht und im zweiten Teil die auf diesen Grundlagen
geplante Pilotbiogasanlage im Praxisbetrieb getestet.
¦
Laboruntersuchungen zur Mono- und Kofermentation von Speiseabfällen (Mukengele 2003, Adolph 2004), die zur Klärung der offenen Fragen hinsichtlich der
möglichen Raumbelastung und der dabei erzielten Prozessstabilität in Abhängigkeit vom Temperaturniveau dienten, die anhand der Entwicklung der Konzentrationen an flüchtigen Fettsäuren beurteilt wurden. Die Verweildauer betrug jeweils
26 Tage, die Raumbelastung 3,5 und 5,1 kg oTS·m-³·d. Die in den Untersuchungen verwendete Hohenheimer Laborbiogasanlage ist in Bild 1 schematisch dargestellt.
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Zentrale Steuereinrichtung zur Drehzahlregelung der Rührwerke mit Zeitschaltautomatik
Zentrale Gasanalyse
Gegengewicht
CO2 Vol. %
Ultramat
Heizung;
Thermostat
Pumpe
CH4 Vol. %
Nassgasometer
Heizwasservorrat
Heizwasserrücklauf
Gasentnahme
Heizwasservorlauf
Materialeinfülltrichter
Druckausgleich über
Fritte
Gasentnahme
max. Füllhöhe
Gasmengenmessung
Plexiglasplatte
(20 mm stark)
PVC - Rohr
doppelwandige
Fermenterhülle
Haspelrührwerk
E - Motor mit
angeflanschtem
Getriebe für
Rührwerksantrieb
doppelwandige
Fermenterhülle
Auslauf
Gummidichtung
Verschraubung
685 mm
Haspelrührwerk
Bild 1: Schema einer liegenden Hohenheimer Laborbiogasanlage (16 l Nettovolumen, semikontinuierlicher Durchfluss) mit Haspelrührwerk, Nassgasometer und Gasanalyse
Fig.1: Scheme of a horizontal Hohenheim laboratory biogas unit (16 l volume,
semicontinuos flow) with hasp agitator, gas storage and gas analysis
Um möglichst praxisrelevante Daten zu erzielen, galt es für die Laboruntersuchungen
zur Monofermentation folgende Parameter einzuhalten:
• gleichmäßige Substratzusammensetzung hinsichtlich Nährstoff- und Energiegehalt über den Versuchszeitraum
• genaue Temperaturführung im mesophilen (40 °C) und thermophilen (55°C) Bereich
• Raumbelastung: 3,5 und 5,1 kg oTS/m³ Reaktorvolumen • Tag (RV • d)
• zweistufige Prozessführung mit Test der Belastungsgrenze und einer Raumbelastung von 10,1 kg oTS/m³ RV • d
• Prozessstabilisierung und Anpassung in Zwischenphasen
Der zweite Teil des Projektes konzentrierte sich auf die Praxisuntersuchungen an der
Pilotbiogasanlage in Donaueschingen zur Monofermentation von Speiseresten (Adolph 2004). Nach Planung und Realisierung der Anlage stand die Überprüfung der
Verfahrenstechnik im Vordergrund. Es handelte sich dabei um ein gemeinsames
Forschungsprojekt der Universität Hohenheim mit den Firmen Biogas Systemtechnik
Deutschland GmbH, Donaueschingen und Ing. Friedrich Bauer GmbH aus Kemmelbach, Österreich.
Hierbei wurden folgende Parameter untersucht:
5
• Verhalten von Substrat- und Gasparametern in der Startphase der Anlage;
• Genauigkeit der Temperaturführung der Rohrfermenter im mesophilen Temperaturbereich;
• Überprüfung des vom Anlagenhersteller zugesicherten Garantiewertes für die
reaktorspezifische Biogasproduktion von 2,5 m³ Biogas je m³ Reaktorvolumen
und Tag (m3 m-3 RV d-1);
• Prozessstabilisierung und -optimierung im mesophilen Temperaturbereich.
Die beiden mittleren Rohrfermenter der Pilotanlage waren hierzu für die Probenentnahme und zur Messwerterfassung speziell ausgerüstet. So konnten an drei Stellen
dieser Testfermenter Substratproben entnommen, sowie über eingebrachte Sonden
pH - und Temperaturwerte gemessen werden (in Bild 2 durch Kreise gekennzeichnet).
Biogasanlage Donaueschingen
Fahrzeug
Waage
Gasmotor
BHKW
511 kW el
Reservekessel
165 m ³
GasGasspeicher
speicher
800 m³
165 m ³
165 m ³
Beschickungs-
165 m ³
grube
120 m 3
H
R
Weiss - Bereich
Vorgrube
1000 m ³
200 m 3
3 m3
Optionale
Aufbereitung
Schwarz - Bereich
H = Hygienisieren
R = Rückkühlen
Versuchsfermenter mit
Tauchrohren zur
Probenentnahme sowie
Aufnahme von pH- und
Temperatursonden
sowie
Endlager
3000 m 3
Materialfluss
Bild 2: Schema der Pilotbiogasanlage mit vier liegenden Rohrfermentern (je 165 m3),
einer zweiten Fermenterstufe (stehender Zylinder mit 1000 m3) und BHKW (511 kW el,
615 kW th) zur Strom- und Wärmeerzeugung aus dem produzierten Biogas.
Fig.2: Scheme of the pilot - biogas plant with four cylindrical horizontal fermenters
(each 165 m3), one second stage fermenter (vertical cylinder with 1000 m3) and
gasmotor (511 kW el, 615 kW th) for cogeneration.
Über den gesamten Untersuchungsabschnitt wurden in wöchentlichem Abstand an
sieben Stellen der Anlage Substratproben gezogen und auf Abbaugrad sowie Fettsäurekonzentrationen untersucht. Mit diesen Daten konnten Aussagen über Prozessstabilität und Leistung des Verfahrens getroffen werden. Die vom Anlagenbetreiber installierte Gasmengenerfassung lieferte zudem kontinuierlich Daten über
die in den einzelnen Fermentern produzierten Gasmengen. Die Gasqualität wurde
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über ein stationäres Meßsystem (Gaschromatograph Perkin Elmer®, FH Furtwangen)
und über ein transportables Analysegerät (Siemens Ultramat 21®) erfasst.
4 Ergebnisse
Labor
Die größere Prozessstabilität bei thermophiler im Vergleich zu mesophiler Faulung geht aus
Bild 3 hervor.
Bild 3: Monofermentation von Nahrungsmittelabfällen – Einfluss der Prozesstemperatur auf Methanerträge und Biogasqualität (Phase II, Adolph 2004)
Fig. 3: Monofermentation of nutritional waste – effect of process temperature on
methane yields and biogas quality (phase II; Adolph 2004)
Der maximale reaktorspezifische Methanertrag von 2,51 l CH4 l-1 RV d-1 wurde am
16. Versuchstag bei thermophiler Faulung gemessen. Von leichten Schwankungen
abgesehen, konnte mit im Durchschnitt 2,25 l CH4 RV d-1 eine sehr hohe Leistung
aufrechterhalten werden. Der mesophile Temperaturbereich zeigte dagegen ab dem
18. Versuchstag kontinuierlich sinkende reaktorspezifische Methanausbeuten, so
dass mit 1,75 l CH4 l-1 RV d-1 ein um 22% niedrigeres Mittel erzielt wurde.
7
Zur Frage der Raumbelastung wurde eine niedrig belastete Variante (3,5 kg oTS m-3
RV d-1) mit einer hoch belasteten (5 kg oTS m-3 RV d-1) verglichen. Im Gegensatz
zum mesophilen Temperaturbereich war bei thermophiler Faulung kein wesentlicher
Einfluss der unterschiedlichen Raumbelastung festzustellen. Das Absinken der pH Werte auf unter 7 in beiden mesophilen Varianten der Raumbelastung lässt auf eine
Überlastung des Prozesses schließen. Eine Verbesserung und Stabilisierung der
Gärvorgänge konnte mit einer Aufteilung der Fermentation in eine Hydrolysestufe
und eine Methanisierungsstufe erreicht werden.
Pilotanlage
Zu Anfang wurden die in die Rohrfermenter eindosierten Substratmengen täglich
langsam gesteigert, um die Gasproduktion kontinuierlich zu erhöhen und gleichzeitig
eine Adaption der Methanbakterienpopulation zu erreichen. Als Vorgabe diente der
vom Anlagenhersteller garantierte Wert für die reaktorspezifische Biogasproduktion
von 2,5 m3 m-³ RV d-1. Nachdem dieser Kennwert von allen Rohrfermentern erreicht
bzw. überschritten worden war, wurde auf die automatische Beschickungssteuerung
umgestellt. Für etwa 20 Tage blieb die Biogaserzeugung daraufhin konstant mit einem Methangehalt von durchschnittlich 58,5 % CH4 im Mischgas aus den Rohrfermentern und der zweiten Fermenterstufe.
Eine fehlerhafte Temperaturmessung in den Rohrfermentern in Kombination mit einer
defekten Gasmengenerfassung führte dann jedoch zu überhöhten Beschickungsmengen mit Frischsubstrat. Daraus resultierte eine Überlastung der Rohrfermenter
und die Fettsäurekonzentrationen stiegen dort rasch bis auf 16500 ppm an, wodurch
der pH - Wert rapide auf 6,4 absank. Zur Stabilisierung des Prozesses wurde die Beschickung mit Frischsubstrat gestoppt. Durch langsame Steigerung der täglichen Befüllmenge und Rückführung von Gärmaterial aus der zweiten Fermenterstufe in die
Rohrfermenter konnte die Biogaserzeugung stabilisiert werden. Da die Beschickungsmengen den aktuellen pH - Werten angepasst wurden, unterschieden sich die
je Zeiteinheit und Rohrfermenter produzierten Gasmengen danach deutlich. Die reaktorspezifischen Methanerträge erreichten in der Mitte von Phase I (Bild 4) in allen
Rohrfermentern etwa 1,0 m3 CH4 m-3 RV d-1, in der zweiten Fermenterstufe wurden
0,35 m3 CH4 m-3 RV d-1 produziert. Die täglichen Beschickungsmengen in der Phase
stabiler Gasproduktion betrugen etwa 12 m3 Frischmaterial je Tag mit durchschnittlich
17 % oTS, so dass sich bezogen auf die insgesamt 660 m3 Volumen der Rohrfermenter eine Raumbelastung von 3,1 kg oTS m-3 RV d-1 errechnete. Die im Laborversuch erzielten Werte von 0,8 - 1,25 m3 CH4 m-3 RV d-1 bei einer Raumbelastung mit
3,5 kg oTS m-3 RV d-1 im mesophilen Temperaturbereich zeigten, dass die Gasbildungsraten in den Rohrfermentern der Praxisanlage zu diesem Zeitpunkt mit denjenigen der Laborfermenter übereinstimmten. In den Rohrfermentern wurden zu dieser
Zeit 108 m3 CH4 t-1 oTS im Vergleich zu durchschnittlich 245 m3 CH4 t-1 oTS bei einer
Raumbelastung von 3,5 kg oTS m-3 RV d-1 im Laborversuch produziert. Das zusätzlich in der zweiten Fermenterstufe produzierte Gas wurde hierbei nicht berücksichtigt.
3 -3 -1
Reaktorspezifische Methanausbeuten (m m d )
8
2 ,0
1 ,5
RF
RF
RF
RF
NF
1
2
3
4
1 ,0
0 ,5
0 ,0
27.07.2002
24.08.2002
21.09.2002
19.10.2002
16.11.2002
D a tum
Bild 4: Monofermentation von Nahrungsmittelabfällen - reaktorspezifische Methanausbeuten in der Pilotanlage
Fig. 4: Monofermentation of nutritional waste - reactorspecific methane yields in the
pilot plant
Die Fettsäurekonzentrationen erreichten in den Rohrfermentern Spitzenwerte von bis
zu 16500 ppm. Vor allem die Propionsäurekonzentrationen lagen nach der Überlastung der Reaktoren zu Beginn der Untersuchungen auf einem hohen Niveau von bis
zu 4500 ppm. Gegen Ende der Messungen betrug das Propionsäure : Essigsäure
Verhältnis im Rohrfermenter fast 2 : 1, was auf Instabilität der Gärbiologie hindeutet.
5 Ausblick
Die Untersuchungen an der Pilotbiogasanlage in Donaueschingen wurden Ende Januar 2003 nach insgesamt 192 Tagen abgeschlossen. Im Vergleich zu den vorangegangenen Laboruntersuchungen konnten durch längere Verweilzeiten des Substrates von bis zu 120 Tagen in beiden Fermenterstufen höhere substratspezifische Biogas- und Methanausbeuten bei besseren Abbauraten erzielt werden. Die im Laborversuch nachgewiesenen besseren Verfahrensleistungen bei höheren Gärtemperaturen konnten an der Pilotanlage nicht bestätigt werden, da der thermophile Betrieb
nicht möglich war. Nach Abschluss der Untersuchungen wurden ein zweiter Hauptfermenter mit 2000m³ und eine Annahme- und Aufbereitungsschiene für verpackte
Nahrungsmittel errichtet. Die Untersuchungen bestätigten, dass eine Monovergärung
von Speiseresten technisch realisierbar ist, dass allerdings noch in verfahrenstechnischer und gärbiologischer Hinsicht Ansatzpunkte zur weiteren Optimierung bestehen.
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6 Literaturverzeichnis
•
•
•
•
•
Kraschinski, S. (1995): Untersuchungen zur gemeinsamen Vergärung von Rindergülle
und Speiseabfall zur Biogasgewinnung. Diplomarbeit, Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim und Landesanstalt für landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen, Stuttgart.
Schüle, S. (2001): Anaerobe Verwertung von Speiseresten. Diplomarbeit, Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim, Stuttgart.
Mukengele, M. (2003): Mono- and Cofermentation of Kitchen Food Waste (Mono- und
Koferementation von Speiseabfällen). Masterthesis, Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim, Stuttgart.
Abdel-Hadi, M. (2003): Methangewinnung aus Nahrungsmittelabfällen und Betarüben
durch Kofermentation. Dissertation, Fakultät IV – Agrarwissenschaften II, Forschungsbericht Agrartechnik des Arbeitskreises Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft
Agrartechnik im VDI (VDI-MEG), Nr. 403, Universität Hohenheim, Stuttgart.
Adolph, J. (2004): Monofermentation von Speiseresten. Dissertation, Fakultät Agrarwissenschaften, Forschungsbericht Agrartechnik des Arbeitskreises Forschung und Lehre
der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG), Nr. 421, Universität Hohenheim, Stuttgart.